【摘要】：在過去的40年中,空間機(jī)器人在太空探索中發(fā)揮著非常重要的作用�？臻g機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)有助于故障衛(wèi)星在軌生命維持以及廢棄衛(wèi)星安全脫軌,且基于空間機(jī)器人的目標(biāo)捕獲是在軌服務(wù)的重要環(huán)節(jié)。依此為研究背景,本文對(duì)目標(biāo)捕獲任務(wù)不同階段的空間機(jī)器人自主控制策略進(jìn)行了深入研究,在此基礎(chǔ)上,建立空間機(jī)械臂在環(huán)的空間機(jī)器人地面驗(yàn)證系統(tǒng),開展目標(biāo)捕獲實(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:首先研究了目標(biāo)衛(wèi)星觀測(cè)階段空間機(jī)器人的基座姿態(tài)保持和末端姿態(tài)調(diào)整控制問題�？臻g機(jī)器人利用機(jī)械臂與基座的動(dòng)力學(xué)耦合主動(dòng)保持或者調(diào)整基座姿態(tài)。此階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)包括基座姿態(tài)保持/調(diào)整、末端姿態(tài)調(diào)整、末端位置保持優(yōu)化任務(wù)以及約束任務(wù)。本文基于關(guān)節(jié)空間任務(wù)補(bǔ)償方法構(gòu)建混合任務(wù)優(yōu)先級(jí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法,算法旨在完成多任務(wù)下的空間機(jī)械臂末端手眼相機(jī)視角調(diào)整,且關(guān)節(jié)空間任務(wù)補(bǔ)償策略可以保證所提算法中無算法奇異。在高優(yōu)先級(jí)基座姿態(tài)保持/調(diào)整任務(wù)的加權(quán)偽逆零空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)其他任務(wù),可以保證在多約束任務(wù)下基座姿態(tài)保持/調(diào)整控制任務(wù)的精度,提高了空間機(jī)器人安全操作能力。通過建立空間機(jī)器人數(shù)值仿真平臺(tái),驗(yàn)證空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法的有效性。針對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星接近階段空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)引起的衛(wèi)星基座擾動(dòng)問題,本文對(duì)基于關(guān)節(jié)角速度伺服的衛(wèi)星基座反作用力矩優(yōu)化控制進(jìn)行研究。此階段需精確地控制空間機(jī)械臂末端的位置和姿態(tài)。首先基于牛頓-歐拉法建立空間機(jī)器人的反作用力矩解析式,由于空間機(jī)器人處于不同模式下反作用力矩可以表示為同樣的解析形式,因此采用相同的離散化求解策略得到基于關(guān)節(jié)角速度伺服跟蹤的控制律以實(shí)現(xiàn)反作用力矩優(yōu)化;針對(duì)自由漂浮空間機(jī)械臂,采用六維空間矢量建立反作用力矩的無關(guān)節(jié)角加速度的解析式,據(jù)此,采用零空間法得到自由漂浮空間機(jī)器人基座姿態(tài)最小擾動(dòng)控制算法。通過仿真驗(yàn)證,本文所述的反作用力矩控制算法可以實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人基座最小擾動(dòng)控制。針對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星捕獲階段的柔順控制問題,本文對(duì)面向目標(biāo)捕獲的任務(wù)優(yōu)先級(jí)阻抗控制進(jìn)行了研究。針對(duì)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管捕獲任務(wù),定義位置方向上阻抗控制為高優(yōu)先級(jí)主任務(wù),姿態(tài)方向上阻抗控制為低優(yōu)先級(jí)主任務(wù),主任務(wù)的零空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)阻抗控制以緩沖機(jī)械臂對(duì)衛(wèi)星基座的擾動(dòng)力/力矩,以此建立基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的柔順捕獲控制框架。此外,在鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊前,捕獲裝置需要在跟蹤目標(biāo)軌跡的同時(shí)保證柔順接觸,機(jī)械臂處于笛卡爾阻抗控制模式;在鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊過程中,鎖緊機(jī)構(gòu)順應(yīng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng),機(jī)械臂處于笛卡爾零力控制模式,并通過自適應(yīng)柔順控制器提高捕獲過程中由于視覺提供參考位置不準(zhǔn)確情況下的力控制性能。通過對(duì)空間機(jī)器人捕獲目標(biāo)的實(shí)際仿真驗(yàn)證了算法的有效性。為了驗(yàn)證本文所提出的空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與柔順控制算法,本文搭建了基于九自由度轉(zhuǎn)臺(tái)和七自由度機(jī)械臂的空間機(jī)器人地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該地面試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)是:系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性,經(jīng)過適當(dāng)?shù)男薷目梢赃m用于不同條件下的目標(biāo)捕獲控制實(shí)驗(yàn)研究;系統(tǒng)中包括真實(shí)的機(jī)械臂硬件系統(tǒng),可以真實(shí)地模擬空間機(jī)器人的數(shù)據(jù)通信;此外空間機(jī)械臂在環(huán)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以有效地驗(yàn)證目標(biāo)衛(wèi)星接觸捕獲階段的柔順控制策略�？臻g機(jī)器人目標(biāo)捕獲地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:空間機(jī)器人混合優(yōu)先級(jí)運(yùn)動(dòng)控制算法可以實(shí)現(xiàn)基座姿態(tài)保持控制的同時(shí)末端相機(jī)視角的調(diào)整;空間機(jī)器人反作用力矩的在線優(yōu)化控制律可以減小機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)基座姿態(tài)的干擾;任務(wù)優(yōu)先級(jí)柔順控制策略可以保證目標(biāo)捕獲任務(wù)的自主安全捕獲。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文捕獲端大致呈錐形，其最末端可以深入噴管喉部并且鎖緊喉部，以實(shí)現(xiàn)非合目標(biāo)衛(wèi)星的對(duì)接捕獲[108]。此類型的“桿-錐”對(duì)接機(jī)構(gòu)具有較大的捕獲容差且工具本身與衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管具有較好的捕獲契合度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（HIHarbin Institute of Technology）也設(shè)計(jì)了針對(duì)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的“桿-錐”目衛(wèi)星捕獲工具，該工具集成激光測(cè)距以及目標(biāo)捕獲機(jī)構(gòu)于一體，同時(shí)外部輪采用水滴現(xiàn)形狀以更好的實(shí)噴管目標(biāo)捕獲[109]，如圖 1-3。美國(guó) DARPA（DefenAdvanced Research Projects Agency）于 2015 年開展的 FREND（Front-ERobotics Enabling Near-Term Demonstration）計(jì)劃，項(xiàng)目中采用了三指式夾器對(duì)接裝置，如圖 1-4，該裝置作為空間機(jī)械臂的末端執(zhí)行器，用于捕獲非作衛(wèi)星上的常見通用結(jié)構(gòu)“分離螺旋栓口”以及“火箭環(huán)”[110]。此外，歐航天局 ESA 提出了基于繩系空間機(jī)器人的非合作目標(biāo)捕獲方案，該方案ESA 的 ROGER 項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)[111]，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研制了基于“介電性體最低能量結(jié)構(gòu)”的特殊靈巧手指來清理太空垃圾[112]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文捕獲端大致呈錐形，其最末端可以深入噴管喉部并且鎖緊喉部，以實(shí)現(xiàn)非合目標(biāo)衛(wèi)星的對(duì)接捕獲[108]。此類型的“桿-錐”對(duì)接機(jī)構(gòu)具有較大的捕獲容差且工具本身與衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管具有較好的捕獲契合度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（HIHarbin Institute of Technology）也設(shè)計(jì)了針對(duì)衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的“桿-錐”目衛(wèi)星捕獲工具，該工具集成激光測(cè)距以及目標(biāo)捕獲機(jī)構(gòu)于一體，同時(shí)外部輪采用水滴現(xiàn)形狀以更好的實(shí)噴管目標(biāo)捕獲[109]，如圖 1-3。美國(guó) DARPA（DefenAdvanced Research Projects Agency）于 2015 年開展的 FREND（Front-ERobotics Enabling Near-Term Demonstration）計(jì)劃，項(xiàng)目中采用了三指式夾器對(duì)接裝置，如圖 1-4，該裝置作為空間機(jī)械臂的末端執(zhí)行器，用于捕獲非作衛(wèi)星上的常見通用結(jié)構(gòu)“分離螺旋栓口”以及“火箭環(huán)”[110]。此外，歐航天局 ESA 提出了基于繩系空間機(jī)器人的非合作目標(biāo)捕獲方案，該方案ESA 的 ROGER 項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)[111]，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研制了基于“介電性體最低能量結(jié)構(gòu)”的特殊靈巧手指來清理太空垃圾[112]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2713720