本文關(guān)鍵詞：機(jī)器人宇航員空間攀爬運(yùn)動(dòng)與力柔順裝配控制

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【摘要】：目前空間站運(yùn)行中的絕大部分維護(hù)與操作依賴航天員。每次出艙任務(wù),都是以航天員健康和生命安全風(fēng)險(xiǎn)為代價(jià),并且經(jīng)濟(jì)、時(shí)間、人力成本巨大。在按照航天員人體工效學(xué)設(shè)計(jì)的空間站環(huán)境中,用機(jī)器人宇航員輔助作業(yè)能夠提高效率,甚至替代航天員,有重大意義。本文結(jié)合國(guó)防基礎(chǔ)科研和921載人航天項(xiàng)目,基于航天員通過(guò)攀爬運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行空間作業(yè)模式,針對(duì)機(jī)器人宇航員在空間站艙外攀爬運(yùn)動(dòng)與柔順裝配作業(yè)需求,重點(diǎn)分析其空間微重力環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)模型和控制需求的特殊性,開(kāi)展機(jī)器人宇航員漂浮基動(dòng)力學(xué)建模、攀爬運(yùn)動(dòng)控制、力柔順裝配方法等研究。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:第一,在微重力環(huán)境下,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)干擾力與大范圍的慣量變化非常敏感,對(duì)機(jī)器人的快速穩(wěn)定控制帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。本文提出一種改進(jìn)的空間向量法,建立了機(jī)器人宇航員的漂浮基動(dòng)力學(xué)模型,從而降低計(jì)算量(相對(duì)于空間向量法減小約30%),使其能夠滿足基于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制需求,為機(jī)器人的快速穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制提供基礎(chǔ)。第二,為了解決機(jī)器人宇航員艙外攀爬運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)干擾力與慣量變化敏感問(wèn)題,針對(duì)關(guān)節(jié)控制提出一種綜合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、末端接觸力和關(guān)節(jié)電機(jī)組件模型的前饋方法,以提高關(guān)節(jié)力矩響應(yīng)速度。同時(shí),基于動(dòng)力學(xué)模型對(duì)攀爬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度進(jìn)行優(yōu)化,并提出一種安全避碰攀爬運(yùn)動(dòng)策略,以保證機(jī)器人宇航員攀爬運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性與安全性。第三,針對(duì)空間站艙外載荷固定用多組銷(xiāo)孔機(jī)構(gòu)的力柔順對(duì)接問(wèn)題,在分析該機(jī)構(gòu)對(duì)接過(guò)程中的特殊力學(xué)特性的基礎(chǔ)上,擴(kuò)展經(jīng)典阻抗控制方法中的彈簧項(xiàng),提出一種基于遺忘因子函數(shù)的改進(jìn)阻抗控制方法,對(duì)阻抗控制器中的虛擬彈簧位置進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),有效降低對(duì)接過(guò)程中的振動(dòng)與接觸力,從而解決隨機(jī)誤差導(dǎo)致的阻抗力對(duì)空間對(duì)接過(guò)程的穩(wěn)定性影響問(wèn)題,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定對(duì)接。最后,基于機(jī)器人宇航員原理樣機(jī),建立機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái),及相應(yīng)的仿真系統(tǒng),并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文提出的針對(duì)機(jī)器人宇航員移動(dòng)與操作技術(shù)的研究?jī)?nèi)容和方法的可行性與有效性。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1214764