自由漂浮空间机器人路径规划研究

作     者：段晓 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾庆轩;孙汉旭

授予年度：2010年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：自由漂浮空间机器人 路径规划 动力学奇异 可视化仿真 

摘      要：在未来空间站的组装、目标捕获等危险而复杂空间任务中,空间机器人将会发挥重要作用,空间机器人技术的研究已经成为各国航天技术的研究热点。自由漂浮空间机器人是空间机器人的一种,具有姿态干扰性、非完整性和运动冗余性等特性。本文以自由漂浮空间机器人为研究对象,对运动学及动力学建模方法、路径规划算法、空间机器人仿真技术进行研究,论文的主要研究工作如下： 1、研究了空间机器人的运动学及动力学建模方法。在研究多体动力学理论、航天器姿态及轨道动力学理论的基础上,根据空间机器人的运动几何关系和动量／角动量守恒,建立了空间机器人的运动学模型,并应用牛顿-欧拉法建立了空间机器人的动力学模型。 2、研究了空间机器人的笛卡尔路径规划和关节空间路径规划方法。在笛卡尔路径规划中,根据末端位姿约束方程,按梯形法规划末端速度,并利用速度级逆运动学方程,规划机器人运动。在关节空间路径规划中,根据关节约束条件,利用关节插值函数进行轨迹规划。 3、研究了空间机器人基座姿态扰动最小路径规划算法。针对空间机器人运动规划中的基座姿态扰动特性,提出了基于遗传算法的基座姿态扰动最小路径规划算法,采用正弦函数对关节变量进行参数化约束,应用遗传算法进行最优参数求解,实现了对基座姿态扰动最小。 4、对空间机器人的动力学奇异问题进行研究。动力学不仅与空间机器人运动学参数有关,也与动力学参数有关,文中提出了实用的动力学奇异回避算法。首先将动力学奇异回避问题等价为运动学奇异回避问题,接着对地面雅可比矩阵进行简化处理,最后采用二次规划的方法解决奇异回避问题。 5、对空间机器人仿真技术进行研究。本文基于三维仿真技术开发了空间机器人可视化仿真系统,仿真系统主要包括三维建模模块、正向运动学模块、路径规划模块等。系统能够提供3D实时仿真,直观地显示路径规划过程。针对空间机器人典型空间操作,设计了目标捕获、目标转移、复位操作试验,试验结果验证了仿真系统的整体性能。