空間機器人將是未來空間技術的一個重要發(fā)展方向,以空間機器人開展的在軌服務任務相比宇航員出艙操作能夠顯著地降低成本和風險,完成更加復雜的在軌操作。而自由漂浮空間機器人是工作在基座無控模式下的空間機器人,僅通過控制關節(jié)轉動完成各種操作。本文研究了基于采樣的算法在自由漂浮空間機器人目標抓捕運動規(guī)劃問題中的應用。介紹一種針對自由漂浮空間機器人的運動學建模方法,并分析系統(tǒng)耦合性、非完整性和非線性給規(guī)劃問題帶來的挑戰(zhàn)。在此基礎上,完成以UR10為機械臂構型的六自由度自由漂浮空間機器人運動學模型的建立和仿真實驗,為后文的運動規(guī)劃做下鋪墊。改進原始的RRT算法（快速擴展隨機樹,Rapidly-Exploring Random Tree）,處理簡化的目標抓捕運動規(guī)劃問題。簡化的規(guī)劃問題以關節(jié)轉速為控制輸入,考慮了關節(jié)角限位約束、轉速上限約束和基座擾動約束,需要實現(xiàn)機械臂末端位姿狀態(tài)的轉移。本文對RRT主要的改進是加入了任務空間的目標偏向和轉置雅可比矩陣的外推環(huán)節(jié),仿真驗證了基于采樣算法的可用性。改進一種更為先進的采樣運動規(guī)劃算法——穩(wěn)定稀疏RRT（Stable SparseRRT,SST）,處理更一般情... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

加拿大第二代空間機械臂系統(tǒng)（左）和歐洲臂（右）

??強站??胤⑸瀋?眨?孟钅靠占浠?魅擻?100千克的衛(wèi)星平臺和全長3.0米、質量71千克的機械臂構成，該機械臂由MDA公司研制。該項目同樣由空間機器人服務星和可升級維修的目標星兩部分組成，在其在軌飛行試驗中，演示驗證了在軌自主交會、接近、捕獲、對接等目標捕獲功能，以及在軌維修維護、燃料補給、ORU更換等在軌服務功能。其中機械臂參與的試驗主要包括：機械臂在軌性能檢測及視覺監(jiān)測試驗、蓄電池ORU的傳送試驗、空間機械臂的輔助分離試驗、空間機械臂自主抓捕目標試驗，以及星載計算機的轉移與恢復試驗[5]。圖1-2日本技術試驗衛(wèi)星7號（左）和軌道快車（右）目前了解到的，成功研制并開展空間試驗的空間機器人系統(tǒng)只有上述兩例，但是航天大國在該領域的研究自開始之初便馬不停蹄地進行，在研課題和項目不勝枚舉。FREND是由美國海軍研究實驗室空間技術中心（NRL）負責的利用空間機器人在同步軌道上捕獲非合作目標的項目，其主要目的是融合先進的機器視覺技術、機器人技術、捕獲機構技術和自主控制算法，以期望未來能夠在空間中完成對航天器的自主在軌服務，目前FREND已開發(fā)并完成了地面演示試驗。“鳳凰”（Phoenix）計劃在FREND的基礎上增加了失效衛(wèi)星可用部件回收利用的設想，具有極強的軍事意義。德國的DEOS項目包含對空間合作目標

刂葡低成杓萍骯δ懿饈緣裙丶?際�。�?機器人主體為5關節(jié)對稱結構，兩端均安裝有手爪型末端執(zhí)行機構，具有在移動的功能。關節(jié)轉動時機械臂一端自由一端固定在大型結構上，近似等價于固定基座機器人[6]。2016年，哈工大協(xié)同航天科技集團第五研究院、北京理工大學兩家單位研制的天宮二號機械手隨天宮二號發(fā)射入軌，機械手包含多感知柔性機械臂、五指仿人靈巧手、手眼相機、控制和人機交互設備及其軟件等，我國航天員與機械手協(xié)同完成了在軌維修驗證、在軌遙操作等科學試驗[7]，這是國際首次人機協(xié)同在軌維修技術試驗。圖1-3天宮二號機械臂1.2.2自由漂浮空間機器人抓捕運動規(guī)劃研究現(xiàn)狀由于機械臂的操作時間較短，在忽略了外部力矩的情況下，自由漂浮空間機器人系統(tǒng)滿足角動量守恒，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)非完整特性。非完整特性是自由漂浮空間機器人區(qū)別于固定基座機械臂的重要特點之一，加上對敏感元件對基座姿態(tài)的要求，單純的局部運動規(guī)劃便有一定的挑戰(zhàn)。文獻[8]提出自校正運動法，不考慮系統(tǒng)的二階以上的非線性，用多次周期性的微小關節(jié)轉動實現(xiàn)基座姿態(tài)的調整。文獻[9]提出基于擾動圖的方法，能夠計算出最小基座擾動的關節(jié)運動方向。文獻[10]將在線規(guī)劃問題轉化為非線性控制問題，提出了一種“零空間投

【參考文獻】：
期刊論文
[1]天宮二號機械手關鍵技術及在軌試驗[J]. 劉宏,李志奇,劉伊威,金明河,倪風雷,劉業(yè)超,夏進軍,張元飛.  中國科學:技術科學. 2018(12)
[2]機械手D-H坐標系建立分析[J]. 孫伏.  陜西理工學院學報(自然科學版). 2016(06)
[3]基于混沌粒子群優(yōu)化算法的空間機械臂軌跡規(guī)劃算法[J]. 夏紅偉,翟彥斌,馬廣程,鄧雅,王常虹.  中國慣性技術學報. 2014(02)
[4]基于RRT的機器人避碰運動規(guī)劃算法研究[J]. 李華忠,梁永生,但唐仁,鄭洪英,吳險峰.  深圳信息職業(yè)技術學院學報. 2012(03)
[5]基于A*算法的空間機械臂避障路徑規(guī)劃[J]. 賈慶軒,陳鋼,孫漢旭,鄭雙奇.  機械工程學報. 2010(13)
[6]空間機器人抓捕任務的六自由度同步控制逼近策略[J]. 朱彥偉,楊樂平.  國防科技大學學報. 2009(06)
[7]自由飄浮空間機器人運動規(guī)劃研究綜述[J]. 稅海濤,彭勝軍,馬宏緒.  自動化技術與應用. 2009(11)
[8]基于隨機采樣的運動規(guī)劃綜述[J]. 唐華斌,王磊,孫增圻.  控制與決策. 2005(07)
[9]EMR系統(tǒng)機器人運動學和工作空間的分析[J]. 黃獻龍,梁斌,陳建新,吳宏鑫.  控制工程. 2000(03)
[10]空間機械臂非完整運動規(guī)劃的最優(yōu)控制[J]. 戈新生,陳力,劉延柱.  應用力學學報. 1998(04)

博士論文
[1]航天器交會與接近操作采樣運動規(guī)劃與控制[D]. 陳瑛.哈爾濱工業(yè)大學 2020
[2]自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃及控制方法研究[D]. 曾祥鑫.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[3]空間機器人目標捕獲的運動規(guī)劃研究[D]. 稅海濤.國防科學技術大學 2010

碩士論文
[1]基于采樣算法的自由漂浮空間機器人避障運動規(guī)劃研究[D]. 侯全銳.燕山大學 2019
[2]基于采樣的在軌服務航天器軌跡規(guī)劃研究[D]. 程敏.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[3]自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃研究[D]. 段曉.北京郵電大學 2010
[4]漂浮基空間機械臂非完整運動規(guī)劃[D]. 鄭中偉.哈爾濱工業(yè)大學 2009



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