空間機(jī)器人技術(shù)能夠有效提高宇航員人身安全并降低空間維護(hù)和探索的成本。具有局部自主控制能力的空間機(jī)器人和輔助人類進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與決策的空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)是目前的主流研究方向。本文從空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出發(fā),在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)、安全控制策略、離線和在線軌跡重構(gòu)算法、末端夾持器滑動(dòng)檢測(cè)算法及狀態(tài)觀測(cè)器等方面展開(kāi)研究。根據(jù)在軌自維護(hù)空間機(jī)器人及其遙操作系統(tǒng)的任務(wù)和功能要求,建立了相應(yīng)的地面遙操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)遙編程、某關(guān)節(jié)受損鎖死時(shí)的容錯(cuò)規(guī)劃、主從/雙邊遙操作、操作坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、虛擬現(xiàn)實(shí)、指令實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)督等功能。除此以外,該系統(tǒng)還具有必備的安全控制策略,其包括:碰撞檢測(cè)功能、速度限幅與關(guān)節(jié)限位功能和運(yùn)動(dòng)學(xué)避奇異功能。同時(shí)還建立了虛擬仿真系統(tǒng)和虛擬時(shí)延,并可利用其對(duì)所建立的遙操作系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證。在遙操作系統(tǒng)的主端,即力反饋設(shè)備端,針對(duì)遙操作過(guò)程中由于操作者手部抖動(dòng)引起的機(jī)械臂末端動(dòng)態(tài)跟蹤精度降低的問(wèn)題,提出了兩種主端共享控制策略。首先,建立了單關(guān)節(jié)模型,并分析了規(guī)劃軌跡的加速度和加加速度對(duì)末端跟蹤精度的影響。然后,建立了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行了離散化處理。最后,本文提出了在線和離線兩種軌跡重構(gòu)算法,其中離線軌跡重構(gòu)算法利用了基于內(nèi)點(diǎn)法的固定區(qū)間平滑器以達(dá)到較高的計(jì)算效率,而在線軌跡重構(gòu)算法采用了本文所提出的一種方差自調(diào)節(jié)固定滯后卡爾曼平滑器來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩者均能將重構(gòu)軌跡的加速度和加加速度近似約束在指定的范圍內(nèi),從而達(dá)到提高末端跟蹤精度的目的。在遙操作系統(tǒng)的從端,即空間機(jī)器人端,針對(duì)遙操作過(guò)程中從端夾持器的滑動(dòng)問(wèn)題和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題,提出了兩種從端監(jiān)督控制策略。首先,建立了一個(gè)包含系統(tǒng)噪聲和非線性特性的通用滑動(dòng)過(guò)程模型。然后,提出通過(guò)分區(qū)間統(tǒng)計(jì)的方法確定檢測(cè)閾值,以減少加載過(guò)程和系統(tǒng)非線性對(duì)檢測(cè)部分的影響,從而提高檢測(cè)精度。其次,用恒定微增量控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定后的加載力增量最小的目標(biāo)。最后,考慮到傳感器噪聲對(duì)檢測(cè)精度起決定性作用,利用滑動(dòng)平均濾波器作為預(yù)濾波器,并與低通濾波器進(jìn)行了對(duì)比。針對(duì)從端夾持器手指的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題,對(duì)電位計(jì)式位置傳感器的噪聲特性進(jìn)行分析,并提出了基于自適應(yīng)固定滯后平滑器的狀態(tài)觀測(cè)器。最后,以本文所設(shè)計(jì)的空間機(jī)器人地面遙操作系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)本文所提的實(shí)時(shí)遙編程功能、軌跡重構(gòu)算法、末端滑動(dòng)抑制策略和狀態(tài)觀測(cè)器分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)時(shí)遙編程功能能夠有效的進(jìn)行直線和圓弧軌跡規(guī)劃,保證規(guī)劃的軌跡滿足限速限位、防碰撞和避運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異等約束,滿足從端空間機(jī)器人對(duì)跟蹤精度的要求。軌跡重構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,重構(gòu)后軌跡的加速度和加加速度能夠有效地被約束在指定的范圍內(nèi)。重構(gòu)后的軌跡與非約束濾波器相比,動(dòng)態(tài)跟蹤精度好且殘余震動(dòng)小,并且末端軌跡的形變量較小。進(jìn)行滑動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)時(shí),算法中參數(shù)的選取只依賴于系統(tǒng)特性而與被抓物體幾乎無(wú)關(guān)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,多閾值檢測(cè)算法的檢測(cè)準(zhǔn)確性優(yōu)于單一閾值檢測(cè)算法,且能夠大幅減小穩(wěn)定所需的加載力增量。狀態(tài)觀測(cè)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比對(duì)原始位置數(shù)據(jù)進(jìn)行直接差分,該方法能夠有效地提高運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的觀測(cè)精度。相比基于標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器和固定滯后卡爾曼平滑器的狀態(tài)觀測(cè)器,該方法在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面具有更好的效果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究意義
    1.2 空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)綜述
        1.2.1 國(guó)外空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)綜述
        1.2.2 國(guó)內(nèi)空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)綜述
        1.2.3 空間機(jī)器人安全控制策略綜述
    1.3 局部自主控制策略研究綜述
        1.3.1 共享控制策略研究綜述
        1.3.2 監(jiān)督控制策略研究綜述
    1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容
第2章 空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)及安全控制策略研究
    2.1 引言
    2.2 空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)構(gòu)成及控制模式
        2.2.1 空間機(jī)器人遙操作系統(tǒng)構(gòu)成
        2.2.2 遙編程模式
        2.2.3 遙操作模式
    2.3 系統(tǒng)安全控制策略
        2.3.1 碰撞檢測(cè)與額外時(shí)延
        2.3.2 速度限制與關(guān)節(jié)限位
        2.3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)避奇異
    2.4 本章小節(jié)
第3章 基于軌跡重構(gòu)的局部自主技術(shù)研究
    3.1 引言
    3.2 問(wèn)題描述與模型建立
        3.2.1 加速度和加加速度對(duì)跟蹤精度和殘余振動(dòng)的影響
        3.2.2 系統(tǒng)模型的建立及其離散化
        3.2.3 卡爾曼平滑器
    3.3 離線約束平滑算法
        3.3.1 基于內(nèi)點(diǎn)法的固定區(qū)間卡爾曼平滑器
        3.3.2 約束條件與約束不等式的選取
    3.4 在線約束平滑算法
        3.4.1 額外時(shí)延隊(duì)列與固定滯后卡爾曼平滑器
        3.4.2 基于方差自調(diào)節(jié)的固定滯后卡爾曼平滑器
    3.5 本章小節(jié)
第4章 基于滑動(dòng)抑制與狀態(tài)觀測(cè)器的局部自主技術(shù)研究
    4.1 引言
    4.2 基于多檢測(cè)閾值的恒定微增量滑動(dòng)抑制策略
        4.2.1 滑動(dòng)過(guò)程模型的建立
        4.2.2 壓阻類觸覺(jué)傳感器的預(yù)濾波器設(shè)計(jì)
        4.2.3 基于多檢測(cè)閾值的恒定微增量控制器
    4.3 基于電位計(jì)式位置傳感器的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)
        4.3.1 噪聲分析與系統(tǒng)建模
        4.3.2 基于自適應(yīng)固定滯后卡爾曼平滑器的狀態(tài)觀測(cè)器
    4.4 本章小節(jié)
第5章 遙操作系統(tǒng)及局部自主控制策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.1 引言
    5.2 實(shí)時(shí)遙編程功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.3 主端共享控制策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        5.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
        5.3.2 軌跡重構(gòu)算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.4 從端監(jiān)督控制策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        5.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
        5.4.2 滑動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        5.4.3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)觀測(cè)器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.5 本章小節(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷

【參考文獻(xiàn)】

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