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空间柔性机器人在轨抓取与转移目标动力学与控制

作　者: 魏承
导　师: 赵阳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 空间柔性冗余机器人在轨抓取控制姿态无扰零空间振动抑制在轨辨识空间算子代数
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着空间开发的深入,空间机器人的应用愈发广泛而重要。空间机器人在轨操作过程中,末端将不可避免受到碰撞冲击,操作目标的特性也一般不确定,且动力学结构也呈现出复杂的非线性及耦合特性,对航天器的安全稳定运行带来较大影响,也使得空间机器人的在轨操作面临诸多难题。本文主要针对空间柔性机器人在轨捕获及转移目标过程中的动力学与控制问题开展研究。空间柔性机器人是典型的空间多柔体系统,由于动力学的耦合特性及臂杆的柔性振动,使动力学分析与计算较为复杂。为了提高动力学计算效率,本文引入了空间算子代数理论用于描述空间多体系统动力学模型,并基于算子理论实现高效率的快速递推算法,用于动力学实时仿真及控制器设计;同时基于Lagrange分析方法实现了空间柔性机器人动力学计算软件,能够灵活统一的处理各种拓扑结构及约束形式;并均与商业软件对比,验证了算法实现的正确。空间机器人在轨操作的首要任务是捕获目标。在抓取目标过程中,末端执行器与目标被捕获装置之间将不可避免的发生复杂的接触碰撞,对机器人系统带来较大冲击。本文提出了“动态抓取域”用于描述抓取操作的碰撞过程,通过对抓取域的控制能够有效减小抓取过程的碰撞冲击;随后,提出了理想的抓取控制策略,通过调节参数可使随机性很强的抓取过程在某种程度上可控。当抓取目标的特性不确定时,应用动量守恒定理推导了抓取过程中目标质量及惯量的辨识模型,并基于最小二乘方法在试探性抓取过程中实时辨识目标,为抓取决策及抓取控制提供了有效的参考依据。由于空间机器人在轨抓取过程的复杂性,还可通过对机械臂控制进一步改善抓取性能。本文对机械臂应用滑模控制,通过调节滑模参数发现了抓取过程的软硬抓取性态:接触式硬抓取能够维持机械臂刚性,但对基体冲击较大,适用于抓取小质量特性目标;而试探性软抓取对目标及基体的冲击较小,但机械臂运动较大,适用于抓取大质量特性目标。而空间柔性机器人在抓取过程中受碰撞冲击的影响,将大大激发臂杆的柔性振动,甚至造成控制失稳,影响抓取安全。因此在抓取过程中需对柔性机械臂的振动进行控制,并尽量减小操作过程对基体姿态的冲击影响。本文将最优反馈振动控制引入姿态无扰零空间中,提出了姿态无扰振动抑制方法;仿真表明,该方法不仅能够使臂杆柔性振动得到有效抑制,而且对基体姿态也几乎无扰动。当空间机器人成功抓取目标时,系统动力学结构及运动状态将发生改变。本文利用动量守恒定理分析了抓取成功瞬间的系统结构与状态变化,并对整个抓取过程进行了稳定控制。而空间柔性机器人抓取目标后,不仅末端质量特性将发生改变,系统频率也将大幅下降,对空间机器人的控制带来较大影响。而冗余自由度机械臂能够在完成指定任务的同时,以其灵活的自运动特性达到振动抑制等优化指标。本文首先对冗余自由度机械臂的动力学与控制特性进行分析,利用空间算子描述了雅可比矩阵及其伪逆的快速递推算法。随后,对带负载的空间柔性冗余机器人在基体固连空间中进行轨迹跟踪控制,并分别采用冗余度优化自运动与零空间最优反馈控制进行振动抑制;而后扩展基体运动为增广状态变量,在惯性任务空间下进行轨迹跟踪控制及定点振动抑制。最后,对于负载不确定的柔性机械臂,采用自适应控制方法实时估计系统的惯性参数,有效的提高了控制精度,且通过设计滑模面进一步消除了由于柔性及不确定负载所带来的稳态误差及扰动影响。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-31
  1.1 课题来源  13
  1.2 研究目的与意义  13-15
  1.3 国内外研究现状  15-28
    1.3.1 空间机器人动力学  15-18
    1.3.2 柔性冗余自由度机械臂控制方法  18-22
    1.3.3 空间机器人在轨操作动力学与控制  22-28
  1.4 本文主要研究内容  28-29
  1.5 本文组织结构  29-31
第2章空间机器人动力学建模与算法  31-61
  2.1 空间多体系统动力学理论与实现  31-54
    2.1.1 基于牛顿欧拉方法的空间多体动力学  31-32
    2.1.2 基于空间算子代数的多体系统动力学理论  32-42
    2.1.3 基于分析方法的空间柔性多体系统动力学  42-54
  2.2 空间机器人动力学模型  54-60
    2.2.1 空间刚性机器人与漂浮目标动力学模型  54-56
    2.2.2 空间柔性机器人动力学模型  56-60
  2.3 本章小结  60-61
第3章基于动态抓取域的捕获目标抓取策略  61-85
  3.1 在轨捕获目标动力学  61-65
    3.1.1 在轨捕获目标任务  61-62
    3.1.2 动态抓取域模型  62-64
    3.1.3 抓取目标过程的动量守恒  64-65
  3.2 基于动态抓取域的抓取控制  65-75
    3.2.1 关节主动阻尼控制  65-66
    3.2.2 基体姿态控制律  66
    3.2.3 匀速抓取与加速抓取  66-68
    3.2.4 抓取策略研究  68-75
  3.3 抓取过程中的目标惯性参数辨识  75-84
    3.3.1 动量守恒及辨识模型  75-77
    3.3.2 基于最小二乘法的参数辨识  77-79
    3.3.3 辨识影响因素分析  79-84
  3.4 本章小结  84-85
第4章在轨抓取目标过程的机械臂稳定控制  85-101
  4.1 基于滑模控制的软硬性抓取  85-89
    4.1.1 机械臂的滑模控制  85-86
    4.1.2 空间机器人软硬性抓取特性  86-89
  4.2 柔性机器人在轨抓取的姿态无扰振动抑制  89-96
    4.2.1 最优状态反馈振动控制  89-90
    4.2.2 基体姿态无扰零空间控制  90-92
    4.2.3 无扰零空间振动抑制  92-96
  4.3 抓取后稳定控制  96-100
    4.3.1 抓取后变结构动力学  96-98
    4.3.2 抓取后稳定控制  98-100
  4.4 本章小结  100-101
第5章带负载的空间柔性冗余机械臂轨迹跟踪控制  101-129
  5.1 冗余自由度机械臂动力学与控制  101-104
    5.1.1 冗余机械臂动力学与控制  101-103
    5.1.2 基于空间算子代数的雅可比矩阵递推算法  103-104
  5.2 基体任务空间轨迹跟踪及定点振动控制  104-114
    5.2.1 基于自运动优化抑振的轨迹跟踪控制  105-106
    5.2.2 空载下轨迹跟踪及定点振动抑制  106-111
    5.2.3 带负载下轨迹跟踪及定点振动抑制  111-114
  5.3 惯性任务空间轨迹跟踪及定点振动控制  114-119
    5.3.1 基于增广变量的惯性操作空间控制  114-116
    5.3.2 空间冗余机械臂惯性空间运动与振动控制  116-119
  5.4 带负载的柔性机械臂自适应控制  119-128
    5.4.1 冗余机械臂动力学模型  120-121
    5.4.2 计算力矩控制方法  121-123
    5.4.3 带不确定负载的柔性机械臂自适应控制  123-128
  5.5 本章小结  128-129
结论  129-131
参考文献  131-143
攻读学位期间发表的学术论文  143-145
致谢  145-146
个人简历  146

空间柔性机器人在轨抓取与转移目标动力学与控制

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