一、自由漂浮空间机器人的运动学分析及仿真（论文文献综述）
袁博楠[1]（2021）在《面向关节故障的空间机械臂容错控制方法研究》文中提出空间机械臂具有灵活性高、操作能力强、工作范围广等特点,是空间站在轨建设与运营过程中不可缺少的重要装备。由于长期执行繁重复杂的在轨操作任务,空间机械臂关节极易故障。考虑到宇航员在轨维修故障关节的高成本、高风险特点,研究面向关节故障的空间机械臂容错控制方法,解决关节故障机械臂建模、规划、控制等问题,使机械臂继续服役,对于延长空间机械臂服役寿命具有重要理论意义与应用价值。关节自由摆动故障与锁定故障是严重影响空间机械臂服役可靠性的典型关节故障。关节自由摆动故障使空间机械臂丧失操作力输出能力,需调控并锁定故障关节以隔离故障影响,但锁定角度决定了机械臂后续服役能力大小,且机械臂运动/力耦合关系复杂,故障关节调控难度大。需分析关节自由摆动故障空间机械臂运动学及动力学耦合特性,研究规划控制方法,并以提升服役能力为准则优化故障关节锁定角度,实现故障处理。关节锁定故障空间机械臂服役能力较常态一定程度退化,需评估任务可完成性并规划可行任务轨迹,使关节故障机械臂执行任务。本论文以安装在自由漂浮航天器基座的空间机械臂为研究对象,针对关节自由摆动故障空间机械臂复杂运动/力耦合关系解耦、运动规划及欠驱动控制、故障关节锁定角度优化等关键问题,以及关节锁定故障空间机械臂任务可完成性评估及轨迹规划等容错控制的关键技术开展深入研究,确保关节故障空间机械臂在轨可靠服役。本论文的主要工作如下:1 关节自由摆动故障空间机械臂运动学及动力学耦合特性分析。分别推导健康关节与故障关节、基座、末端运动/力映射关系,建立运动学和动力学耦合关系,证明其同属混合阶非完整约束,实现复杂运动/力耦合关系解耦,指出关节自由摆动故障空间机械臂是包含混合阶非完整约束的全新欠驱动系统。定义运动学及动力学耦合程度指标,定量表征健康关节对被控单元的调控能力。仿真实验展示了基于运动规划策略,关节自由摆动故障空间机械臂能够以较高精度调控各类被控单元,证明了运动学耦合关系的正确性,并给出了耦合程度指标的具体应用实例。2关节自由摆动故障空间机械臂欠驱动控制方法研究。针对模型不确定性及力矩扰动作用,介绍传统终端滑模欠驱动控制方法,讨论未知不确定性及扰动下控制参数选择困难的问题,以及抖振消除与鲁棒性变差的矛盾。融入自适应模糊控制,根据被控单元状态估计并补偿不确定性及扰动作用,使滑模控制稳定性及鲁棒性突破参数选择限制。仿真证明了相比传统终端滑模控制,自适应模糊终端滑模控制可使调控被动关节的主动关节力矩最大值下降60%以上,且滑模面稳态误差减小近一个数量级,控制鲁棒性增强,实现了未知不确定性及扰动作用的精确估计与补偿,为空间机械臂自由摆动故障关节调控提供了有效手段。3空间机械臂自由摆动故障关节锁定角度优化。面向负载操作任务,梳理受故障关节锁定角度影响且决定任务可靠执行的空间机械臂运动性能与操作能力指标,建立锁定角度优化准则。利用灰色系统关联熵理论,高效构建综合性能评价指标,并基于综合性能评价指标实现故障关节锁定角度优化。仿真展示了基于灰色系统关联熵理论的多指标综合效率较传统熵值法提升80%以上,且故障关节锁定于最优锁定角度时机械臂后续性能退化程度最小,证明了综合性能评价指标正确性,及其用于锁定角度优化有效性。4空间机械臂任务可完成性评估与轨迹规划方法研究。考虑任务执行中基座偏转限制需求,定义反映任务要求及基座耦合运动特点的表征变量选取准则。按固定、姿态受限、自由漂浮基座控制模式划分表征空间,获得满足任务要求及基座偏转限制的表征空间,建立任务可完成性评估及轨迹规划策略。针对空载转位及负载操作应用表征空间分析方法,展示空间机械臂典型任务执行效果。表征空间建立了状态迁移规律与任务执行的映射,为开展空间机械臂任务可完成性评估与轨迹规划提供通用化实施手段,确保关节锁定故障空间机械臂可靠执行在轨操作任务。5面向关节故障的空间机械臂容错控制实验研究。设计由气浮系统、机械臂系统、仿真软件及各类传感器组成的容错控制实验系统,开展关节自由摆动故障空间机械臂运动规划、欠驱动控制,及基于表征空间分析方法的空间机械臂轨迹规划实验,验证空间机械臂容错控制技术中关键理论方法的可行性和有效性。
姜冲[2]（2020）在《基于采样的自由漂浮空间机器人目标抓捕运动规划研究》文中指出空间机器人将是未来空间技术的一个重要发展方向,以空间机器人开展的在轨服务任务相比宇航员出舱操作能够显着地降低成本和风险,完成更加复杂的在轨操作。而自由漂浮空间机器人是工作在基座无控模式下的空间机器人,仅通过控制关节转动完成各种操作。本文研究了基于采样的算法在自由漂浮空间机器人目标抓捕运动规划问题中的应用。介绍一种针对自由漂浮空间机器人的运动学建模方法,并分析系统耦合性、非完整性和非线性给规划问题带来的挑战。在此基础上,完成以UR10为机械臂构型的六自由度自由漂浮空间机器人运动学模型的建立和仿真实验,为后文的运动规划做下铺垫。改进原始的RRT算法（快速扩展随机树,Rapidly-Exploring Random Tree）,处理简化的目标抓捕运动规划问题。简化的规划问题以关节转速为控制输入,考虑了关节角限位约束、转速上限约束和基座扰动约束,需要实现机械臂末端位姿状态的转移。本文对RRT主要的改进是加入了任务空间的目标偏向和转置雅可比矩阵的外推环节,仿真验证了基于采样算法的可用性。改进一种更为先进的采样运动规划算法——稳定稀疏RRT（Stable SparseRRT,SST）,处理更一般情况下的自由漂浮空间机器人抓捕运动规划问题。SST算法在RRT-Extend的基础上增加了局部最优的概念和剪枝操作,提供了一些更可靠的性质。这里的抓捕运动规划问题以关节角加速度为控制输入的,在前文的基础上又考虑了关节角加速度约束、碰撞规避以及终端机械臂末端速度、角速度约束。本文在SST的框架内使用了以目标偏向和任务空间度量引导来改善扩张效率的办法,并引入任务空间采样的滚动规划来加快算法寻找到可行解,实现了自由漂浮空间机器人高维、多约束的目标抓捕运动规划。
杜严锋[3]（2020）在《柔性空间机器人动力学建模及振动控制研究》文中研究指明随着空间技术的飞速发展,空间机器人越来越受到航天领域的重视。空间机器人能够适应恶劣的环境,如昼夜温差大、超真空、空间微重力、原子氧和太空辐射,代替航天员完成高精度和高可靠性的空间作业,在元件更换、空间碎片清理、有效载荷搬运、失效卫星维修、燃料加注和协助空间站各舱段及在轨航天器的对接和转位等空间任务中得到了广泛的应用。然而,由于空间机器人上面柔性部件的影响,如柔性太阳帆板和柔性空间机械臂等,柔性部件的运动与基座运动之间相互耦合,空间机器人呈现出复杂的动力学特性,并且使空间机器人的控制器设计变得非常困难。本文考虑太阳帆板和机械臂的柔性,对空间机器人的动力学特性和振动控制方法进行了研究,主要研究内容和研究成果如下:针对考虑太阳帆板柔性和机械臂柔性的空间机器人,基于递推组集法和速度变分原理获得了柔性空间机器人系统的动力学模型,建立了动力学方程的求解方法和计算流程。将本文模型的仿真计算结果与多体动力学计算软件ADAMS进行对比分析,仿真结果表明本文模型的计算结果与ADAMS软件的计算结果一致,验证了本文模型的准确性和有效性。基于柔性空间机器人的动力学模型,分析了柔性体运动对其振动特性的影响,得到了不同阶段运动时间对柔性体振动的影响规律。通过傅里叶变换建立了柔性体运动的频域特性分析方法,得到了柔性体运动对频谱幅值的影响规律。建立了柔性空间机器人系统的动力学耦合因子模型,对机械臂关节运动、机械臂柔性振动和太阳帆板柔性振动与中心刚体运动和机械臂末端运动的的动力学耦合程度进行了分析。分析了中心刚体质量和机械臂关节转角对系统耦合因子的影响规律,获得了在机械臂关节空间的动力学耦合因子云图,为减小柔性空间机器人系统的动力学耦合作用提供了理论基础。提出了一种多脉冲鲁棒输入整形方法,即MIR整形器,对柔性系统进行振动控制。MIR整形器具有灵活的设计参数,可以调节整形器脉冲的个数和脉冲时间长度。与传统输入整形器相比,它对系统固有频率和阻尼比具有更好的鲁棒性。数值仿真结果表明,当系统参数存在较大误差时,MIR整形器比传统整形器能更有效地抑制残余振动。在相对高频范围内,MIR整形器能够抑制更宽频率范围内的振动。当系统的参数存在较大误差或者存在较宽频率范围内的柔性振动时,用在相对高频范围内抑制振动的特性来设计MIR整形器,可以更有效地抑制系统振动。提出最优控制与MIR整形器的联合控制策略,对柔性系统进行控制仿真,结果表明该控制策略相对于其他整形器联合控制方法能够更好地抑制振动。考虑太阳帆板和机械臂的柔性,在空间机器人动力学方程的基础上,根据空间机器人的工作状态,设计了自由飞行控制器和自由漂浮控制器。根据MIR整形器抑制相对高频振动成分的特点,设计整形器对期望输入进行整形,利用自由飞行控制器和自由漂浮控制器,对柔性空间机器人的运动进行控制。数值仿真结果表明,所设计的控制器能够有效地抑制柔性部件的振动。在自由飞行控制器和自由漂浮控制器的作用下都能够实现对空间机器人运动的准确控制,但是自由飞行控制器能够同时稳定控制基座运动,而自由漂浮控制器没有对基座位姿进行控制。由于柔性空间机器人系统在空间中很容易受到外部干扰力的作用,利用奇异摄动原理将柔性空间机器人的动力学模型分解成慢变子系统和快变子系统,采用滑模控制方法来控制带有外部干扰的系统,利用RBF神经网络估计外部干扰力的边界,提出柔性空间机器人的抗干扰控制器。仿真分析结果表明,在外部干扰的作用下,所提出的抗干扰控制器能够对柔性空间机器人进行准确的操作控制,同时能够减小系统中柔性部件的振动响应。
王勇[4]（2019）在《多空间机器人服务系统运动规划与跟踪控制研究》文中指出空间机器人一直是在轨服务技术中的重要选项之一。随着服务对象的不断扩展,加之航天任务对可靠性的极高要求,单臂乃至多臂空间机器人将面临一些难以胜任的操作任务。而小卫星的应用和编队技术的成熟,使得多空间机器人协同服务成为可能。本文以多空间机器人编队组成的在轨服务系统为研究对象,以李群李代数和旋量理论为基本工具,在建立系统运动学和动力学模型的基础上,重点研究了运动规划和跟踪控制问题。所得主要成果如下:1、系统地建立了服务系统的运动学模型。（1）基于指数积公式和刚体变换法则,选择系统质心为惯性坐标系原点,推出了多臂空间机器人的位置级正运动学方程;（2）在基座位姿部分已知的条件下,通过四元数法建立了关于状态变量的方程组,然后采用牛顿迭代法进行求解;（3）基于空间机器人的运动学方程,建立了全局坐标系下,服务系统捕获目标前后的位置级运动方程;（4）分别推导出了服务系统捕获目标前后基座和末端的广义雅克比矩阵,并提出了一种利用改进欧拉法求解基座姿态的方法。2、求解分析了服务系统的工作空间问题。（1）针对双臂空间机器人,提出了一种改进的虚拟机械臂建模方法（MVM）,避免所得模型中出现多个互不独立的被动球形关节;（2）对双臂空间机器人的工作空间进行分类并给出了数学描述。然后搭建虚拟机械臂的SimMechanics模型,采用蒙特卡洛法得到双臂系统不同类别的工作空间云图。可以看出,各工作空间均为圆环状,且左右臂对称;（3）基于双臂系统位置级运动学方程,采用蒙特卡洛法得到了基座姿态有约束时的工作空间云图;（4）在一般协同工作空间的基础上,提出了针对协同抓捕的广义工作空间,同时给出了求解步骤。在仿真算例中对这两类工作空间分别求解,并做了对比。3、研究了考虑最优停靠位置的关节轨迹规划问题。（1）通过坐标变换,给出了在空间机器人系统质心坐标系中表出的停靠位置及其约束条件;（2）采用正弦函数与五次多项式结合的方法参数化了关节轨迹,给出了待定参数的取值范围;（3）针对基座姿态扰动最小化和基座姿态调整到期望位置两种情况,分别建立了目标函数;（4）给出带有改进的高斯变异算子的遗传算法的详细求解步骤;（5）通过仿真算例验证了规划策略的可行性。4、研究了笛卡尔空间内多空间机器人多目标的末端协调轨迹规划问题。（1）提出了一种基于梯形速度插值的驱动变化法,可以规划得到具有线性特征,又带有加速和减速阶段的末端位形曲线;（2）建立了带有协调约束的多目标优化模型,优化目标分别为运动时间最优和基座姿态扰动最小;（3）提出了一种基于非支配排序的双种群多目标果蝇算法,具有较好的全局寻优能力和搜索效率;（4）以两个平面三自由度空间机器人组成的服务系统为对象,仿真得到了形态良好的Pareto最优前沿,然后对典型解进行了详细分析。5、研究了基于SE（3）的末端轨迹跟踪控制问题。（1）根据拉格朗日原理,建立了服务系统捕获目标前的动力学模型。然后基于GJM,推导了工作空间内的动力学方程;（2）基于SE（3）的对数映射和空间速度构建了状态变量误差反馈量,然后基于前文推导所得的运动学方程以及GJM,设计了基于PD控制律的闭环连续跟踪控制策略,具有较高的控制精度;（3）考虑到系统状态变化较为剧烈时,PD控制律的精度会降低,进一步设计了鲁棒滑模控制律,能够克服PD控制的缺点;（4）考虑到模型存在参数不确定性和干扰,设计了一种模糊滑模控制律,基于该控制律构建的闭环连续跟踪控制策略具有较高的控制精度和良好的鲁棒性能,同时消除了抖振。
杨洋[5]（2019）在《漂浮基机械臂轨迹跟踪策略研究》文中进行了进一步梳理随着智能机器人技术不断发展进步,机器人已由地面环境转为空间环境。空间机器人可进行太空站维修、卫星对接、空间站微重力实验等重要工作任务,因此各个国家对空间机器人项目都极为重视。漂浮基机械臂具备适应微重力、强辐射环境的能力,可完成诸多高难度空间任务。它也能辅助航天员进行太空作业。空间项目现如今也成为诸多学者研究的热点趋势。漂浮基机械臂末端机械手可完成对卫星的抓取、航天站电池更换等任务,因此机械臂的末端轨迹问题也是各国研究的重点内容。本课题以漂浮基机械臂作为研究对象,对机械臂的轨迹跟踪和抗扰动问题进行深入的分析及探索。本文具体研究内容如下:首先,本文分析漂浮基机械臂控制算法研究的现状,提出对机械臂控制策略存在的不足之处以及需要改进的地方。对漂浮基机械臂进行受力分析,根据动量守恒定律,使用Lagrange方程求解系统动力学方程和运动学方程,并建立机械臂数学模型。其次,研究两种先进算法对机械臂进行控制律求解。针对系统在微重力环境下扰动较强轨迹跟踪精度较差等问题,提出了自适应反演滑模法对系统进行控制研究。此算法以误差反推验证为前提将机械臂设置为全自动化操作模型,其计算量较小并可实时调参使得系统拥有更强的稳定性。第二种算法在上述基础上设置高阶滑模干扰观测器对系统进行控制,可使系统能够精确地跟踪到外界扰动,增强了系统鲁棒性。通过李雅普诺夫法验证了系统稳定性,最后将控制律与观测器数学模型相结合,进一步抑制机械臂在微重力环境下的扰动。再次,将两种算法在MATLAB中模拟微重力环境进行仿真,运用反演自适应滑模算法机械臂系统能够实时调参减小了外界干扰,使系统轨迹跟踪更加精确。设置高阶滑模观测器可使机械臂系统实时观测干扰曲线,并对扰动曲线进行修正,系统更可运用于更加复杂的曲线轨迹中。用相同的物理模型和实验环境与普通滑模控制进行对比,实验表明运用本文提出的算法控制效果更佳。最后,对全文所做工作进行总结和分析,并对后期工作进行展望。
李明[6]（2019）在《空间机械臂轨迹规划研究》文中提出随着空间站、空间机器人等技术的发展,空间机械臂受到了人们越来越多的关注,它能够输送载荷、让宇航员在太空中自如行走、进行外太空需要的实验、对空间站和空间机器人进行日常维护等。出于空间站探索的需求,对在轨服务中空间机械臂运行的稳定性和安全性提出了更高的要求。空间机械臂对工作环境的适应性较强,然而太空环境非常特殊复杂,存在很多不确定因素,因此,进一步研究空间机械臂轨迹规划,对提高空间机械臂系统运动过程中的稳定性和安全性具有重要意义。在国内外对空间机械臂轨迹规划研究的基础上,本文针对空间机械臂系统在两种不同状态下的运动过程中轨迹平滑性和基座稳定性等问题进行了研究,并设计了一种改进CS（Cuckoo Search,布谷鸟搜索）算法的轨迹规划策略。首先,介绍了国内外在空间机械臂与其轨迹规划算法方面的研究成果,并对空间机械臂一般模型做了深入了解。在此基础上,分别建立了自由漂浮和自由飞行两种不同状态下的空间机械臂的运动学方程和动力学方程。其次,引入改进CS算法来克服空间机械臂系统在轨迹规划时平滑性和稳定性不足的问题。针对自由漂浮状态下的空间机械臂系统,结合此种状态下运动学方程及关节角、关节角速度、关节角加速度等约束指标构建了基座扰动最小的轨迹规划模型,利用改进CS算法进行求解实现轨迹规划目标。针对自由飞行状态下的空间机械臂系统,结合此种状态下运动学方程和动力学方程以及关节角、关节角速度、关节加速度等约束指标,构建了机械臂运动对基座产生干扰力矩最小的轨迹规划模型,同样利用改进CS算法进行求解实现自由飞行状态下的轨迹规划目标。最后,基于设计的轨迹规划策略,对自由漂浮状态下的空间机械臂关节角、关节角速度、关节角加速度以及基座姿态角进行仿真验证;同样对自由飞行状态下的空间机械臂关节角、关节角速度、关节角加速度以及机械臂运动对基座产生的干扰力矩也进行仿真验证。并与传统的轨迹规划方法S型速度曲线规划的仿真进行对比,结果表明改进算法规划出的关节角轨迹平滑,在机械臂系统各项指标的约束范围内,两种状态下都能有效的减弱机械臂运动对基座产生的干扰,增强空间机械臂系统的稳定性。
闫磊[7]（2019）在《双臂空间机器人系统等效建模及协调柔顺控制研究》文中指出随着人类太空活动的深入,不断增多的轨道垃圾给在轨卫星的正常运行带来潜在危险。为了实现对上述空间目标的捕获及操控,双臂空间机器人作为一种有效手段受到了广泛关注。然而由于基座与机械臂之间存在多重动力学耦合,双臂空间机器人在动力学建模与耦合分析、轨迹规划与控制等方面仍存在较大困难,为其实际应用带来了挑战。基于此,本文研究了双臂空间机器人系统的等效建模方法,并进一步提出了基于等效模型的协调轨迹规划方法、能量最优的轨迹优化方法以及协调柔顺控制方法。为了简化机械臂与基座之间的动力学耦合,提出了双臂空间机器人系统的等效建模方法。首先以双臂之间的相对运动为研究对象,推导广义相对雅可比矩阵,实现了双臂之间相对运动速度到机械臂各个关节角速度的映射,并将其推广至适用于多臂空间机器人与多臂地面机器人的通用形式。为了简化双臂空间机器人基座与机械臂之间的多重动力学耦合关系,建立了等效动力学模型。定义其中一个机械臂的末端为虚拟基座,其余部分则等效为一个超冗余虚拟机械臂,进而将双臂空间机器人简化为超冗余单臂空间机器人。基于所建立的双臂空间机器人的等效模型,提出了多优先级双臂协调轨迹规划和虚拟基座无反作用运动规划方法。结合广义相对雅可比矩阵与零空间投影矩阵,可以在主臂的任务零空间实现双臂之间的相对运动规划,以同时保证双臂末端在惯性空间的期望运动轨迹。此外,基于虚拟基座建模方法,分析等效后超冗余单臂空间机器人的任务自由度冗余,推导了增广广义雅可比矩阵和零空间投影广义雅可比矩阵;可以在规划惯性空间双臂末端期望运动轨迹的同时,实现对冗余自由度的规划控制。为了节约空间机器人宝贵的燃料资源,提出了能量最优的双臂协调轨迹优化方法。根据双臂与目标之间不同的动力学约束关系,将整个捕获过程分解为接触前阶段与接触后阶段。对于接触前阶段,采用臂型角构型表示方法,通过粒子群优化算法得到捕获过程中基座扰动最小的臂型角轨迹;结合臂型角雅可比与虚拟基座建模及控制方法,实现双臂空间机器人的构型优化。对于接触后阶段,假定双臂末端与目标形成稳定固连,考虑双臂与目标之间的运动学、动力学闭链约束;基于目标的动力学方程,采用非线性优化方法,得到基座扰动最小、捕获时间最短的双臂协调操作轨迹。针对机械臂末端与空间目标接触过程中容易产生过碰撞而导致的安全性问题,提出了阻抗参数在线辨识的双臂协调柔顺控制方法。根据双臂协调操作时的相对关系,推导了双臂之间的相对运动以及相对操作力方程。同时建立双臂之间的等效阻抗模型,通过控制双臂之间的相对操作力,实现对各个机械臂末端操作力的控制。考虑到传统柔顺控制中阻抗参数需要实验测试、人为给定,在未知环境下操作存在一定的危险和困难。因此设计优化目标函数为期望相对操作力跟踪误差的二范数,通过二次规划实时生成最优阻抗控制参数,仿真结果证明了该方法的正确性和有效性。为了验证本文提出的建模以及规划方法,搭建了双臂空间机器人捕获非合作目标的地面实验系统,由一套双臂机器人和一套目标运动模拟器组成。其中双臂机器人基于动力学模型和运动学等效原理模拟双臂空间机器人的捕获运动;目标运动模拟器通过一个七自由度冗余机械臂携带一个目标模型,模拟空间目标的运动以及双臂空间机器人基座扰动等效的相对运动。基于此地面实验系统,开展了双臂空间机器人捕获非合作目标的实验,结果验证了本文提出的等效建模、轨迹优化以及等效实验方法的正确性。
牟亚博[8]（2019）在《用于失效航天器消旋的半实物仿真目标跟随系统开发》文中认为随着世界各国空间探索任务的增多,空间技术已经成为现今学术研究的热点。空间中每年都会产生大量的太空垃圾,其中大部分是因故障或者燃料耗尽而无法工作的失效航天器。失效航天器可视为空间非合作目标,外界无法控制也无法与其通讯,因此对其进行移除工作尤为困难。传统的空间捕获技术面对的是运动状态相对稳定的空间目标,而对于高速翻滚的运动非合作目标无法直接捕捉。在捕获任务前需要对目标的运动进行削弱,而电磁力作为非接触式力则可以实现对目标运动的削弱。真实环境的空间任务实验花费较大,因此在进行空间任务前进行地面仿真实验尤为重要。电磁制动器基于涡流效应使目标表面产生涡电流,目标带电后将受到制动器上磁源的电磁力作用,最终实现对其运动消旋从而满足初始捕获条件。在对空间翻滚目标进行电磁消旋的过程中,制动器需要对目标的位置进行跟随,同时要时刻保持相对的消旋姿态和设定转速。本文的主要研究内容为翻滚目标电磁消旋仿真系统中的目标跟随技术,以此作为空间在轨服务技术的基础,为后续对空间翻滚目标的在轨消旋和捕获任务提供相应的技术参考。首先本文对空间机器人系统进行建模,结合目标跟随过程进行动力学仿真,并在此基础上分析了该系统执行电磁消旋任务轨迹时的仿真结果,同时将空间机器人关节轨迹与固定基座机器关节轨迹进行了比较。然后对消旋过程中实现基座稳定状态的推进力进行了仿真,分析基座扰动对位姿跟随所造成的影响。接下来本文基于半实物仿真原理进行地面翻滚目标跟随系统的搭建,从而模拟对空间翻滚目标的电磁消旋验证过程。该系统可实现电磁制动装置对翻滚目标的位姿跟随,并且模拟电磁力对翻滚目标的制动过程。最后本文利用该实验系统进行了翻滚目标的位姿跟随等相关实验,从而验证了该系统的有效性。
侯全锐[9]（2019）在《基于采样算法的自由漂浮空间机器人避障运动规划研究》文中提出空间技术的发展使得空间机器人的应用更加广泛,特别是作业时空间载体位姿无控的自由漂浮空间机器人（Free-Floating Space Robot）。本文以自由漂浮空间机器人为研究对象,对其仿真技术、基于采样的避障运动规划方法进行研究,论文主要研究工作如下:首先,本文基于Moveit!和开源运动规划库OMPL搭建了自由漂浮空间机器人的仿真平台。仿真平台中采用虚拟机械臂的方法设计了适用于任意结构的空间机器人模型的运动学求解插件,并使用龙格-库塔法设计了自由漂浮空间机器人的高精度状态递推器。然后,针对目前基于采样的自由漂浮空间机器人避障运动算法无法优化运动路径的问题,将基于控制（Control-based）的稀疏稳定快速扩展随机树（Stable Sparse RRT,SST）算法应用到自由漂浮空间机器人上,由于SST算法提供渐进近似最优（Asymptotic near-optimality）性,能够在自由漂浮空间机器人机械臂末端位姿所在的笛卡尔空间进行避碰运动规划的同时优化运动路径。最后,针对目前基于采样的自由漂浮空间机器人避障运动算法规划的运动路径精度不高的问题,将基于几何（Geometric-based）的快速扩展随机树（RRT）算法和自由漂浮空间机器人速度级逆运动学相结合,在自由漂浮空间机器人机械臂末端位姿所在的笛卡尔空间进行速度级运动规划,该方法能够规划出高精度的运动路径,并实现了机械臂末端位置和姿态同时到达目标位置和在对基座无扰动的情况下机械臂末端位置到达目标位置的两种避障运动规划。
郑海潮[10]（2019）在《空间机械臂捕获非合作目标过程的动力学建模与顺应控制》文中研究指明随着地球资源日益减少和科学技术的发展,人类对于外太空的探索越来越深,越来越广。随之而来的是航天器的维修、服务以及太空垃圾的处理问题。本文结合国家自然基金项目“空间非合作目标捕获机构动刚度在轨识别及接触顺应机理”的要求,以空间非合作目标捕获过程为背景,围绕创新捕获机构、抓捕过程的动力学以及顺应控制理论展开理论研究和实验验证。针对空间非合作目标抓捕及操作的执行机构需求,基于GF集理论发明了一种新型冗余自由度空间机械臂。提出串联等效方法,对其进行运动学和工作空间分析。分析表明机械臂具有刚度高、工作空间大、灵活性强等特点。针对空间抓捕过程中的动力学问题,将机械臂串联部分作为并联部分的负载,使用牛顿-欧拉法完成动力学分析,解算机械臂各驱动关节的力/力矩以及约束力/力矩,建立了迭代计算模型,提高了计算效率。针对空间非合作目标抓捕过程中的稳定力控制要求,建立了基于导纳原理的包含运动估计模块及动力学前馈模块的顺应控制模型。并在三种环境中进行理论验证仿真实验:Simulink中的全数字模型、Simulink-UG虚拟半物理仿真模型以及实物全物理平台实验。仿真及实验结果证明了顺应控制模型的有效性和稳定性。
二、自由漂浮空间机器人的运动学分析及仿真（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、自由漂浮空间机器人的运动学分析及仿真（论文提纲范文）
（1）面向关节故障的空间机械臂容错控制方法研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 空间机械臂容错技术研究现状 |
| 1.3 面向关节故障的空间机械臂容错控制关键技术研究现状 |
| 1.3.1 欠驱动机械臂运动学及动力学耦合特性分析方法 |
| 1.3.2 欠驱动机械臂运动规划与控制方法 |
| 1.3.3 机械臂自由摆动故障关节锁定角度优化方法 |
| 1.3.4 机械臂任务可完成性评估与轨迹规划方法 |
| 1.4 空间机械臂容错控制技术研究现状总结 |
| 1.5 主要研究对象 |
| 1.6 主要研究内容 |
| 第二章 关节自由摆动故障空间机械臂运动学及动力学耦合特性分析 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 关节自由摆动故障空间机械臂运动学耦合关系 |
| 2.2.1 空间机械臂运动学方程 |
| 2.2.2 运动学耦合关系及其非完整约束特性 |
| 2.2.3 关节自由摆动故障空间机械臂运动规划策略及运动学耦合程度指标 |
| 2.3 关节自由摆动故障空间机械臂动力学耦合关系 |
| 2.3.1 关节自由摆动故障空间机械臂Lagrange动力学方程 |
| 2.3.2 动力学耦合关系 |
| 2.3.3 动力学耦合关系非完整约束特性 |
| 2.4 动力学可控性分析与动力学耦合程度指标设计 |
| 2.4.1 主动关节对被控单元的可控性分析 |
| 2.4.2 全局运动学及动力学耦合程度指标 |
| 2.5 关节自由摆动故障空间机械臂运动规划任务仿真及耦合程度应用 |
| 2.5.1 基于运动规划的关节自由摆动故障空间机械臂任务仿真 |
| 2.5.2 关节自由摆动故障空间机械臂耦合程度分析与耦合程度指标应用 |
| 2.6 小结 |
| 第三章 关节自由摆动故障空间机械臂欠驱动控制方法研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 模型参数精确且无扰动状态下的PD欠驱动控制系统 |
| 3.2.1 面向在轨操作任务的关节自由摆动故障空间机械臂欠驱动控制原理 |
| 3.2.2 关节自由摆动故障空间机械臂PD欠驱动控制系统 |
| 3.2.3 基于PD欠驱动控制的关节自由摆动故障空间机械臂任务仿真 |
| 3.3 模型不确定性及力矩扰动作用下的终端滑模欠驱动控制系统 |
| 3.3.1 被控单元的滑模面趋近律选择 |
| 3.3.2 终端滑模面函数选择与终端滑模控制律设计 |
| 3.3.3 模型不确定性及力矩扰动作用下终端滑模欠驱动控制系统稳定性分析 |
| 3.3.4 终端滑模控制的“抖振”现象与消除 |
| 3.3.5 基于终端滑模欠驱动控制的关节自由摆动故障空间机械臂任务仿真 |
| 3.4 自适应模糊终端滑模欠驱动控制系统 |
| 3.4.1 自适应模糊控制原理 |
| 3.4.2 自适应模糊终端滑模欠驱动控制系统稳定性分析 |
| 3.4.3 基于自适应模糊终端滑模欠驱动控制的关节自由摆动故障空间机械臂任务仿真 |
| 3.5 小结 |
| 第四章 空间机械臂自由摆动故障关节锁定角度优化 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 故障关节锁定空间机械臂运动性能评价指标 |
| 4.2.1 空间机械臂关节空间运动灵巧性 |
| 4.2.2 关节空间灵巧性指标全局化处理 |
| 4.2.3 空间机械臂操作空间末端位姿可达性 |
| 4.3 故障关节锁定空间机械臂负载操作能力评价指标 |
| 4.3.1 带负载空间机械臂动力学模型 |
| 4.3.2 故障关节锁定空间机械臂动态负载能力计算模型 |
| 4.3.3 故障关节锁定空间机械臂负载操作能力评价指标 |
| 4.4 基于综合性能评价指标建立的自由摆动故障关节锁定角度优化 |
| 4.4.1 基于灰色系统关联熵理论的综合性能评价指标建立 |
| 4.4.2 空间机械臂自由摆动故障关节锁定角度优化 |
| 4.5 基于综合性能评价指标的自由摆动故障关节锁定角度优化仿真实验 |
| 4.5.1 故障关节锁定空间机械臂综合运动性能指标建立 |
| 4.5.2 空间机械臂自由摆动故障关节最优锁定角度求解 |
| 4.6 小结 |
| 第五章 空间机械臂任务可完成性评估与轨迹规划方法研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 空间机械臂表征变量定义 |
| 5.2.1 传统机械臂表征空间分析方法 |
| 5.2.2 空间机械臂表征变量选取准则 |
| 5.3 空间机械臂表征空间建立 |
| 5.3.1 基于基座控制模式的空间机械臂表征空间划分 |
| 5.3.2 基于表征空间的空间机械臂任务可完成性评估与轨迹规划策略 |
| 5.3.3 三自由度自由漂浮空间机械臂表征空间举例 |
| 5.4 基于表征空间分析方法的典型操作任务可完成性评估与轨迹规划 |
| 5.4.1 空载转位任务 |
| 5.4.2 负载操作任务 |
| 5.5 小结 |
| 第六章 面向关节故障的空间机械臂容错控制实验 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 面向关节故障的空间机械臂容错控制实验平台设计 |
| 6.2.1 面向关节故障的空间机械臂容错控制实验平台功能需求分析 |
| 6.2.2 实验平台总体结构设计 |
| 6.2.3 实验平台硬件分系统设计 |
| 6.3 地面实验平台软件设计 |
| 6.4 面向关节故障的空间机械臂容错控制实验研究 |
| 6.4.1 实验对象 |
| 6.4.2 实验一: 关节自由摆动故障空间机械臂运动规划实验 |
| 6.4.3 实验二: 关节自由摆动故障空间机械臂欠驱动控制实验 |
| 6.4.4 实验三: 基于表征空间分析方法的空间机械臂轨迹规划实验 |
| 6.4.5 地面实验结果分析 |
| 6.5 小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 7.1 全文工作总结 |
| 7.2 主要创新点 |
| 7.3 研究展望 |
| 参考文献 |
| 附录 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间发表的学术论文目录 |
（2）基于采样的自由漂浮空间机器人目标抓捕运动规划研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题背景及研究的目的和意义 |
| 1.2 自由漂浮空间机器人在轨服务技术及其运动规划发展概况 |
| 1.2.1 空间机器人在轨服务技术发展现状 |
| 1.2.2 自由漂浮空间机器人抓捕运动规划研究现状 |
| 1.2.3 基于采样的运动规划算法发展现状 |
| 1.3 本文的主要研究内容 |
| 第2章 自由漂浮空间机器人运动学模型及分析 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 多刚体运动学基础 |
| 2.2.1 基于改进D-H参数法的连杆坐标系的建立 |
| 2.2.2 连杆坐标系齐次坐标变换 |
| 2.3 自由漂浮空间机器人的运动学模型 |
| 2.4 自由漂浮空间机器人的运动学特性分析 |
| 2.5 仿真实验 |
| 2.5.1 空间机器人模型参数设计 |
| 2.5.2 仿真实验及结果 |
| 2.6 本章小结 |
| 第3章 基于改进RRT算法的运动规划 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 问题描述 |
| 3.3 基于改进RRT算法的运动规划 |
| 3.3.1 状态空间定义及随机状态点的生成 |
| 3.3.2 度量函数 |
| 3.3.3 状态外推 |
| 3.3.4 RRT算法的改进 |
| 3.4 仿真实验 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 基于改进SST算法的避碰运动规划 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 SST算法的介绍 |
| 4.2.1 SST算法的基本内容 |
| 4.2.2 最好优先原则 |
| 4.2.3 蒙特卡洛外推 |
| 4.2.4 局部最优节点判断函数 |
| 4.2.5 剪枝函数 |
| 4.3 基于包围体模型的动态碰撞检测 |
| 4.3.1 圆柱与平面内矩形的相交测试 |
| 4.3.2 有向包围盒的相交测试 |
| 4.3.3 空间机器人的碰撞检测 |
| 4.4 基于改进SST算法的运动规划 |
| 4.4.1 问题描述 |
| 4.4.2 SST算法的改进 |
| 4.4.3 仿真实验及分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 |
| 致谢 |
（3）柔性空间机器人动力学建模及振动控制研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题背景及研究的目的和意义 |
| 1.2 国内外研究进展 |
| 1.2.1 空间机器人研究现状 |
| 1.2.2 空间机器人动力学建模研究现状 |
| 1.2.3 空间机器人振动控制方法研究现状 |
| 1.3 本文的主要研究内容 |
| 第2章 柔性空间机器人动力学建模 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 柔性空间机器人模型描述 |
| 2.3 柔性空间机器人动力学方程 |
| 2.3.1 单柔性体动力学方程 |
| 2.3.2 相邻物体的运动递推关系 |
| 2.3.3 柔性空间机器人系统动力学方程 |
| 2.4 系统动力学模型验证 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 柔性空间机器人的振动与动力学耦合特性分析 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 空间机器人柔性体的振动特性 |
| 3.2.1 柔性体运动规律对振动特性的影响 |
| 3.2.2 柔性体运动时的频域特性 |
| 3.3 柔性空间机器人动力学耦合特性 |
| 3.3.1 动力学耦合因子 |
| 3.3.2 动力学耦合仿真分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 多脉冲鲁棒输入整形控制方法研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 多脉冲鲁棒输入整形控制 |
| 4.2.1 输入整形约束条件 |
| 4.2.2 多脉冲鲁棒输入整形方法 |
| 4.2.3 多脉冲鲁棒输入整形器的鲁棒性和振动控制效果 |
| 4.3 最优控制与多脉冲鲁棒输入整形联合控制方法 |
| 4.3.1 联合控制策略 |
| 4.3.2 仿真分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 柔性空间机器人振动控制研究 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 柔性空间机器人自由飞行与自由漂浮控制方法 |
| 5.2.1 自由飞行控制器设计 |
| 5.2.2 自由漂浮控制器设计 |
| 5.2.3 仿真分析 |
| 5.3 柔性空间机器人神经网络滑模控制方法 |
| 5.3.1 柔性空间机器人奇异摄动模型及控制器设计 |
| 5.3.2 仿真分析 |
| 5.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 |
| 致谢 |
| 个人简历 |
（4）多空间机器人服务系统运动规划与跟踪控制研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 空间机器人国内外进展综述 |
| 1.2.1 多臂空间机器人研究进展 |
| 1.2.2 可重构空间机器人研究综述 |
| 1.2.3 多空间机器人国内外研究综述 |
| 1.3 空间机器人关键技术研究综述 |
| 1.3.1 空间机器人运动学分析方法综述 |
| 1.3.2 动力学建模方法综述 |
| 1.3.3 空间机器人轨迹规划研究综述 |
| 1.3.4 轨迹跟踪控制研究进展 |
| 1.4 论文主要研究内容 |
| 第二章 基于旋量理论的服务系统运动学分析 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 服务系统设计 |
| 2.2.1 系统构成 |
| 2.2.2 任务流程分析 |
| 2.2.3 系统优势分析 |
| 2.2.4 系统简化描述 |
| 2.3 李群李代数与刚体运动 |
| 2.3.1 刚体转动与姿态描述 |
| 2.3.2 一般刚体运动描述 |
| 2.3.3 刚体运动速度描述 |
| 2.3.4 指数积公式 |
| 2.4 单空间机器人位置级运动学分析 |
| 2.4.1 单空间机器人模型 |
| 2.4.2 正运动学分析 |
| 2.4.3 逆运动学分析 |
| 2.4.4 位置级运动学算例验证 |
| 2.5 服务系统的位置级运动学建模与分析 |
| 2.5.1 服务系统捕获目标前的运动学建模 |
| 2.5.2 服务系统捕获目标后的运动学建模 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 服务系统的工作空间求解与分析 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 经典虚拟机械臂法介绍及改进 |
| 3.2.1 单臂系统的虚拟机械臂建模 |
| 3.2.2 双臂系统的虚拟机械臂建模 |
| 3.2.3 改进的双臂系统虚拟机械臂建模 |
| 3.3 单臂系统工作空间分析 |
| 3.4 双臂系统工作空间分析 |
| 3.4.1 双臂系统工作空间定义与描述 |
| 3.4.2 基于MVM的双臂系统工作空间分析 |
| 3.4.3 基座姿态有约束条件下双臂系统的工作空间分析 |
| 3.5 服务系统的协同工作空间分析 |
| 3.5.1 协同工作空间求解 |
| 3.5.2 广义协同工作空间 |
| 3.5.3 仿真分析 |
| 3.6 小结 |
| 第四章 考虑基座最优停靠位置的关节轨迹规划 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 服务系统微分运动学方程 |
| 4.2.1 服务系统捕获目标前的微分运动学分析 |
| 4.2.2 组合体的微分运动学分析 |
| 4.3 考虑最优停靠位置的关节轨迹规划策略 |
| 4.3.1 问题描述 |
| 4.3.2 基于遗传算法的轨迹规划策略 |
| 4.4 关节轨迹规划仿真实例 |
| 4.5 小结 |
| 第五章 服务系统笛卡尔空间内的多目标协调运动规划 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 传统轨迹规划方法介绍 |
| 5.2.1 梯形速度插值 |
| 5.2.2 驱动变换法 |
| 5.3 基于梯形速度插值的驱动变换法 |
| 5.4 多空间机器人多目标协调规划问题描述 |
| 5.4.1 协调问题描述 |
| 5.4.2 优化目标分析 |
| 5.5 多目标优化问题求解策略 |
| 5.5.1 果蝇算法简介 |
| 5.5.2 Lèvy飞行原理 |
| 5.5.3 基于多目标果蝇算法的求解策略 |
| 5.6 仿真算例与分析 |
| 5.7 小结 |
| 第六章 服务系统动力学建模与连续轨迹跟踪控制 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 捕获目标前的动力学建模 |
| 6.2.1 系统动力学方程 |
| 6.2.2 静力雅克比矩阵 |
| 6.2.3 工作空间内的动力学方程 |
| 6.3 基于力雅可比矩阵的PD控制策略 |
| 6.3.1 基于SE(3)的误差计算模型 |
| 6.3.2 闭环连续跟踪控制策略 |
| 6.3.3 仿真算例 |
| 6.4 鲁棒滑模跟踪控制策略 |
| 6.4.1 基本滑模控制律 |
| 6.4.2 鲁棒滑模控制律 |
| 6.4.3 仿真算例 |
| 6.5 考虑模型不确定性的模糊滑模跟踪控制策略 |
| 6.5.1 问题描述 |
| 6.5.2 模糊逼近方法简介 |
| 6.5.3 模糊滑模跟踪控制策略 |
| 6.5.4 仿真分析 |
| 6.6 小结 |
| 第七章 总结与展望 |
| 7.1 工作总结 |
| 7.2 主要创新点 |
| 7.3 进一步研究展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 作者在学期间取得的学术成果 |
（5）漂浮基机械臂轨迹跟踪策略研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 课题研究背景及意义 |
| 1.2 漂浮基机械臂概论 |
| 1.3 漂浮基机械臂模拟地面实验介绍 |
| 1.4 漂浮基机械臂建模方法概论 |
| 1.4.1 机械臂运动学建模研究 |
| 1.4.2 机械臂动力学分析论述 |
| 1.5 漂浮基机械臂控制算法概论 |
| 1.5.1 国外机械臂控制算法研究 |
| 1.5.2 国内机械臂控制算法研究 |
| 1.6 本文主要研究内容 |
| 2 漂浮基机械臂动力学建模与分析 |
| 2.1 漂浮基机械臂建模总述 |
| 2.2 漂浮基机械臂系统建模以及动力学方程求解 |
| 2.2.1 漂浮基机械臂模型建立假设以及符号定义 |
| 2.2.2 漂浮基机械臂运动学方程 |
| 2.2.3 漂浮基机械臂动力学方程建立 |
| 2.3 漂浮基机械臂系统参数建立 |
| 2.4 小结 |
| 3 漂浮基机械臂反演自适应滑模控制器研究分析 |
| 3.1 漂浮基机械臂反演自适应滑模控制总述 |
| 3.2 反演滑模算法基本理论 |
| 3.3 自适应反演滑模控制 |
| 3.3.1 漂浮基机械臂自适应律研究及稳定性证明 |
| 3.3.2 漂浮基机械臂滑模控制律研究及稳定性证明 |
| 3.4 漂浮基机械臂自适应反演滑模仿真研究 |
| 3.5 小结 |
| 4 高阶滑模干扰观测器研究 |
| 4.1 高阶滑模干扰观测器总述 |
| 4.2 干扰观测器模型概述 |
| 4.2.1 常规干扰观测器设计基础 |
| 4.2.2 干扰观测器数学建模 |
| 4.3 高阶滑模控制律设计 |
| 4.4 高阶滑模干扰观测器仿真研究 |
| 4.5 小结 |
| 结论 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间的研究成果 |
（6）空间机械臂轨迹规划研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 选题背景和意义 |
| 1.2 国内外轨迹规划研究现状 |
| 1.2.1 空间机械臂国内外研究现状 |
| 1.2.2 空间机械臂轨迹规划研究现状 |
| 1.2.3 布谷鸟搜索算法国内外研究现状 |
| 1.3 主要研究内容 |
| 2 空间机械臂运动学和动力学模型建立 |
| 2.1 空间机械臂运动学方程建立 |
| 2.1.1 空间机械臂一般模型和坐标系 |
| 2.1.2 空间机械臂一般运动方程 |
| 2.1.3 固定基座的运动学模型建立 |
| 2.1.4 自由飞行状态下空间机械臂运动学模型建立 |
| 2.1.5 自由漂浮状态下空间机械臂运动学模型建立 |
| 2.2 空间机械臂动力学模型建立 |
| 2.2.1 空间机械臂一般动力学方程 |
| 2.2.2 空间机械臂动力学结构和参数 |
| 3 空间机械臂轨迹规划模型建立 |
| 3.1 轨迹规划模型建立 |
| 3.1.1 自由漂浮状态下轨迹规划模型建立 |
| 3.1.2 自由飞行状态下轨迹规划模型建立 |
| 3.2 空间机械臂关节参数化 |
| 4 基于改进布谷鸟搜索算法的轨迹规划研究与实现 |
| 4.1 改进布谷鸟搜索算法原理 |
| 4.1.1 传统布谷鸟搜索算法 |
| 4.1.2 改进布谷鸟搜索算法 |
| 4.2 改进CS算法与PSO算法仿真对比分析 |
| 4.2.1 自由漂浮状态下仿真分析 |
| 4.2.2 自由飞行状态下仿真分析 |
| 5 仿真验证及分析 |
| 5.1 自由漂浮状态下轨迹规划仿真 |
| 5.1.1 自由漂浮状态下关节函数仿真 |
| 5.1.2 自由漂浮模式下基座运动轨迹 |
| 5.2 自由飞行状态下轨迹规划仿真 |
| 5.2.1 自由飞行状态下关节函数仿真 |
| 5.2.2 自由飞行状态下机械臂运动对基座姿态的干扰力矩仿真 |
| 结论 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间的研究成果 |
（7）双臂空间机器人系统等效建模及协调柔顺控制研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题背景及研究的目的和意义 |
| 1.1.1 课题来源 |
| 1.1.2 研究的目的与意义 |
| 1.2 空间机器人捕获系统与方法综述 |
| 1.2.1 空间机器人系统研究综述 |
| 1.2.2 空间机器人在轨捕获方法综述 |
| 1.3 双臂空间机器人关键技术研究现状 |
| 1.3.1 双臂空间机器人的等效建模方法 |
| 1.3.2 双臂空间机器人的协同规划方法 |
| 1.3.3 双臂空间机器人的轨迹优化方法 |
| 1.3.4 双臂空间机器人的柔顺控制方法 |
| 1.4 目前研究中亟待解决的问题 |
| 1.5 本文的主要研究内容 |
| 第2章 双臂空间机器人系统的等效建模方法 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 双臂空间机器人系统及任务设计 |
| 2.2.1 双臂空间机器人系统构型设计 |
| 2.2.2 双臂空间机器人在轨服务流程 |
| 2.3 双臂空间机器人运动学建模 |
| 2.4 广义相对雅可比矩阵的推导 |
| 2.4.1 自由漂浮双臂空间机器人的运动学方程 |
| 2.4.2 双臂空间机器人的广义相对雅可比矩阵 |
| 2.4.3 广义相对雅可比矩阵的一般形式 |
| 2.5 双臂空间机器人的虚拟基座建模方法 |
| 2.5.1 基于虚拟基座建模的等效运动学方程 |
| 2.5.2 基于虚拟基座建模的等效动力学方程 |
| 2.6 本章小结 |
| 第3章 基于等效模型的双臂协同轨迹规划方法 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 基于广义相对雅可比的多优先级规划 |
| 3.2.1 双臂空间机器人系统的冗余性分析 |
| 3.2.2 主臂在惯性空间的任务规划 |
| 3.2.3 双臂协作的相对运动规划 |
| 3.3 基于虚拟基座的无反作用运动规划 |
| 3.3.1 增广广义雅可比矩阵 |
| 3.3.2 零空间投影广义雅可比矩阵 |
| 3.3.3 虚拟基座与实际基座的位姿关系 |
| 3.4 多优先级双臂协调运动规划仿真 |
| 3.4.1 空间任意位姿目标的捕获仿真 |
| 3.4.2 空间自旋目标的捕获仿真 |
| 3.5 无虚拟基座扰动的协调规划仿真 |
| 3.6 本章小结 |
| 第4章 能量最优的双臂协调捕获轨迹优化方法 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 空间目标动力学建模与分析 |
| 4.2.1 空间目标动力学建模 |
| 4.2.2 空间非合作目标运动分析 |
| 4.3 双臂捕获翻滚目标接触前轨迹优化 |
| 4.3.1 捕获前双臂跟踪接近的规划控制 |
| 4.3.2 臂型角的雅可比矩阵及参数化轨迹 |
| 4.3.3 基于MOPSO的多目标函数优化 |
| 4.3.4 仿真分析验证 |
| 4.4 双臂捕获翻滚目标接触后轨迹优化 |
| 4.4.1 接触后的轨迹优化问题 |
| 4.4.2 操作过程中的基座扰动分析 |
| 4.4.3 运动学-动力学轨迹优化 |
| 4.4.4 仿真分析验证 |
| 4.5 本章小结 |
| 第5章 阻抗参数在线辨识的双臂协调柔顺控制 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 双臂协同操作的等效运动与等效力 |
| 5.2.1 双臂操作的相对运动分析 |
| 5.2.2 双臂操作的相对力分析 |
| 5.3 在线阻抗参数辨识的柔顺控制方法 |
| 5.3.1 双臂协同操作的等效阻抗模型 |
| 5.3.2 柔顺控制阻抗参数的在线辨识 |
| 5.3.3 双臂协同捕获的柔顺控制流程 |
| 5.4 双臂捕获空间目标的柔顺控制仿真 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 基于地面实验系统的双臂捕获实验研究 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 等效地面实验方案设计 |
| 6.2.1 基于动量方程的相对运动等效 |
| 6.2.2 空间目标微重力环境运动模拟 |
| 6.3 地面实验系统的建立 |
| 6.3.1 空间目标模型 |
| 6.3.2 七自由度冗余机械臂 |
| 6.3.3 地面冗余双臂机器人 |
| 6.4 双臂空间机器人捕获目标实验 |
| 6.4.1 接触前的构型优化实验 |
| 6.4.2 捕获后的轨迹优化实验 |
| 6.5 小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 |
| 致谢 |
| 个人简历 |
（8）用于失效航天器消旋的半实物仿真目标跟随系统开发（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题来源 |
| 1.2 课题研究的背景和意义 |
| 1.3 国内外研究现状及分析 |
| 1.3.1 空间翻滚目标消旋技术研究现状 |
| 1.3.2 空间任务地面仿真系统研究现状 |
| 1.3.3 国内外研究现状分析 |
| 1.4 论文的主要研究内容 |
| 第2章 半实物仿真系统空间机器人建模及分析 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 空间机器人系统运动学与动力学 |
| 2.2.1 空间机器人系统模型 |
| 2.2.2 空间机器人一般运动学方程 |
| 2.2.3 自由漂浮模式下空间机器人运动学方程 |
| 2.2.4 空间机器人动力学方程 |
| 2.3 空间机器人目标跟随过程仿真 |
| 2.3.1 空间机器人三维建模 |
| 2.3.2 基于Adams空间机器人动力学仿真 |
| 2.4 空间机器人目标跟随过程误差分析 |
| 2.4.1 固定基座机器人消旋轨迹仿真 |
| 2.4.2 空间机器人系统推进力仿真 |
| 2.4.3 翻滚目标跟随过程误差分析 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 半实物仿真目标跟随系统设计及实现 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 半实物仿真系统方案规划 |
| 3.3 传感器通讯及目标位姿解算方法 |
| 3.3.1 惯导传感器通讯方法 |
| 3.3.2 通讯信息协议解算 |
| 3.3.3 目标位姿解算方法 |
| 3.4 目标跟随过程制动装置位姿解算 |
| 3.4.1 目标消旋运动轨迹 |
| 3.4.2 半实物仿真系统建系 |
| 3.4.3 制动装置跟随位姿解算 |
| 3.5 翻滚目标跟随控制算法 |
| 3.5.1 机器人逆运动学唯一解求解方法 |
| 3.5.2 基于关节坐标系的跟随控制方法 |
| 3.6 半实物仿真目标跟随系统通讯模块 |
| 3.6.1 上位机与机器人系统通讯方法 |
| 3.6.2 上位机与机器人系统通讯程序 |
| 3.6.3 电磁制动装置PLC通讯程序 |
| 3.7 本章小结 |
| 第4章 半实物仿真系统目标跟随实验研究 |
| 4.1 翻滚目标跟随实验平台搭建 |
| 4.2 单轴运动目标位姿跟随实验 |
| 4.2.1 单轴运动目标跟随实验内容 |
| 4.2.2 单轴运动目标跟随实验结果分析 |
| 4.3 翻滚目标位姿跟随实验 |
| 4.3.1 翻滚目标跟随实验内容 |
| 4.3.2 翻滚目标跟随实验结果分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
（9）基于采样算法的自由漂浮空间机器人避障运动规划研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题研究背景及意义 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.2.1 国外空间机器人现状 |
| 1.2.2 我国空间机器人 |
| 1.2.3 自由漂浮空间机器人模型研究现状 |
| 1.2.4 轨迹规划研究现状 |
| 1.3 论文主要研究内容 |
| 第2章 空间机器人运动学基本方程 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 空间机器人的位姿描述 |
| 2.2.1 一般位姿描述 |
| 2.2.2 齐次变换 |
| 2.2.3 改进DH参数 |
| 2.2.4 机器人运动学方程求解 |
| 2.3 空间机器人基本符号的定义 |
| 2.4 空间机器人运动学方程 |
| 2.4.1 空间机器人一般运动方程 |
| 2.4.2 固定基座空间机器人运动方程 |
| 2.4.3 基座姿态受控空间机器人运动方程 |
| 2.4.4 自由漂浮空间机器人运动方程 |
| 2.5 本章小结 |
| 第3章 自由漂浮空间机器人仿真平台搭建 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 Moveit!与开源运动规划库简介和系统架构 |
| 3.2.1 Moveit!简介和系统架构 |
| 3.2.2 OMPL开源运动规划库简介和系统架构 |
| 3.3 自由漂浮空间机器人仿真平台架构 |
| 3.4 模型建立 |
| 3.5 基于虚拟机械臂的运动学求解 |
| 3.5.1 平面二自由度自由漂浮空间机器人的虚拟机械臂建模 |
| 3.5.2 迭代法对虚拟机械逆运动学求解 |
| 3.5.3 基座位置求解 |
| 3.5.4 仿真验证 |
| 3.6 基于龙格-库塔法的状态递推器设计 |
| 3.6.1 递推器设计 |
| 3.6.2 仿真验证 |
| 3.7 其它程序模块设计 |
| 3.8 本章小结 |
| 第4章 基于采样算法的自由漂浮空间机器人避障 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 基于控制的SST算法避障运动规划 |
| 4.2.1 在末端执行器笛卡尔空间进行避碰运动规划 |
| 4.2.2 基于控制的运动规划算法 |
| 4.2.3 运动规划仿真和分析 |
| 4.3 基于RRT算法和速度级逆运动学的避障运动规划 |
| 4.3.1 平面三自由度空间机器人建模 |
| 4.3.2 基于几何的RRT运动规划算法 |
| 4.3.3 末端位姿笛卡尔空间直线运动规划 |
| 4.3.4 基座姿态无扰动避障运动规划 |
| 4.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 |
| 致谢 |
（10）空间机械臂捕获非合作目标过程的动力学建模与顺应控制（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 研究背景与意义 |
| 1.1.1 课题来源 |
| 1.1.2 研究目的与意义 |
| 1.2 国内外研究现状 |
| 1.2.1 空间机械臂研究现状 |
| 1.2.2 空间机械臂动力学建模研究现状 |
| 1.2.3 机械臂顺应控制研究现状 |
| 1.2.4 空间操作地面仿真研究现状 |
| 1.3 论文研究的主要内容 |
| 第二章 新型空间机械臂设计及运动学建模 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 新型空间机械臂构型设计 |
| 2.2.1 GF集的基本概念 |
| 2.2.2 基于GF集理论的空间机械臂构型设计 |
| 2.3 并联部分的运动学及其等效 |
| 2.3.1 并联部分运动学反解 |
| 2.3.2 并联机构运动的等效 |
| 2.4 等效机械臂运动学建模 |
| 2.4.1 等效机械臂正运动学建模 |
| 2.4.2 等效机械臂逆运动学建模 |
| 2.5 工作空间分析 |
| 2.6 本章小结 |
| 第三章 新型空间机械臂动力学建模 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 动力学分析方法 |
| 3.3 串联部分动力学分析 |
| 3.4 并联平台负载计算 |
| 3.5 并联部分动力学分析 |
| 3.6 动力学分析验证 |
| 3.6.1 末端轨迹规划 |
| 3.6.2 三维软件仿真 |
| 3.6.3 计算及仿真结果对比 |
| 3.7 本章小结 |
| 第四章 空间机械臂捕获非合作目标的顺应控制模型 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 空间机械臂捕获非合作目标的任务分析 |
| 4.2.1 空间机械臂捕获非合作目标的任务要素 |
| 4.2.2 空间刚体碰撞模型 |
| 4.2.3 空间非合作目标运动模型 |
| 4.3 基于导纳原理的顺应控制模型 |
| 4.3.1 导纳控制原理 |
| 4.3.2 基于导纳原理的顺应控制 |
| 4.4 基于动力学前馈的顺应控制模型 |
| 4.4.1 服务星运动分析 |
| 4.4.2 基于动力学前馈的顺应控制 |
| 4.5 本章小结 |
| 第五章 顺应控制方法的半物理及全物理仿真验证 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 顺应控制方法的半物理仿真 |
| 5.2.1 半物理仿真平台构造 |
| 5.2.2 虚拟系统建立及验证 |
| 5.3 全物理仿真实验 |
| 5.4 本章小结 |
| 第六章 结论及展望 |
| 6.1 本文主要成果总结 |
| 6.2 本文主要创新 |
| 6.3 研究展望 |
| 参考文献 |
| 附录1 |
| 致谢 |
| 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 |
四、自由漂浮空间机器人的运动学分析及仿真（论文参考文献）
- [1]面向关节故障的空间机械臂容错控制方法研究[D]. 袁博楠. 北京邮电大学, 2021(01)
- [2]基于采样的自由漂浮空间机器人目标抓捕运动规划研究[D]. 姜冲. 哈尔滨工业大学, 2020(02)
- [3]柔性空间机器人动力学建模及振动控制研究[D]. 杜严锋. 哈尔滨工业大学, 2020(01)
- [4]多空间机器人服务系统运动规划与跟踪控制研究[D]. 王勇. 国防科技大学, 2019(01)
- [5]漂浮基机械臂轨迹跟踪策略研究[D]. 杨洋. 兰州交通大学, 2019(04)
- [6]空间机械臂轨迹规划研究[D]. 李明. 兰州交通大学, 2019(04)
- [7]双臂空间机器人系统等效建模及协调柔顺控制研究[D]. 闫磊. 哈尔滨工业大学, 2019(01)
- [8]用于失效航天器消旋的半实物仿真目标跟随系统开发[D]. 牟亚博. 哈尔滨工业大学, 2019(02)
- [9]基于采样算法的自由漂浮空间机器人避障运动规划研究[D]. 侯全锐. 燕山大学, 2019(03)
- [10]空间机械臂捕获非合作目标过程的动力学建模与顺应控制[D]. 郑海潮. 上海交通大学, 2019(06)