空間機(jī)械臂軌跡規(guī)劃和地面仿真方法研究.pdf

1、隨著太空活動(dòng)的日趨頻繁,使用空間機(jī)械臂代替或者部分代替宇航員進(jìn)行太空活動(dòng)已經(jīng)是新的發(fā)展趨勢(shì)。在太空中,機(jī)械臂的基座處于漂浮狀態(tài),機(jī)械臂在工作的過程中會(huì)對(duì)基座的位置和姿態(tài)產(chǎn)生干擾。本文研究空間機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃算法,使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)對(duì)基座姿態(tài)產(chǎn)生的擾動(dòng)最小,為了充分驗(yàn)證算法的可行性與有效性,選用氣浮式地面仿真實(shí)驗(yàn)方法,分析了各種干擾對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)有效性的影響,并研究了仿真系統(tǒng)的組成。
　　首先,本文介紹了國內(nèi)外在空間機(jī)械臂與其軌跡規(guī)劃算法方面

2、的研究成果,以及地面仿真方法的研究現(xiàn)狀,并分析了各種地面仿真方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　其次,本文推導(dǎo)了空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程,建立了機(jī)械臂3種工作模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,通過Lagrange方法建立了空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型。并介紹了本文所要研究的單臂機(jī)械臂系統(tǒng),給出了機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
　　再次,本文研究了自由漂浮和自由飛行狀態(tài)下的空間機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃問題。首先研究了笛卡爾空間的點(diǎn)到點(diǎn)軌跡規(guī)劃問題,仿真結(jié)果表明算法能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械

3、臂末端位姿點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng),但是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)基座姿態(tài)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。連續(xù)路徑跟蹤通過廣義Jacobi矩陣逆的方法實(shí)現(xiàn)基座姿態(tài)無擾動(dòng)機(jī)械臂末端位姿跟蹤,但是在數(shù)值仿真過程中出現(xiàn)了Jacobi矩陣奇異問題,限制了此方法的應(yīng)用。為了克服上述問題,本文使用正弦函數(shù)參數(shù)化機(jī)械臂關(guān)節(jié),選擇混沌粒子群算法作為優(yōu)化策略,分別實(shí)現(xiàn)了自由漂浮狀態(tài)下基座姿態(tài)擾動(dòng)最小和自由飛行狀態(tài)下的基座干擾力矩最小的軌跡優(yōu)化,并通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了算法的有效性。
　　最后,