检索结果-内蒙古大学图书馆

北京理工大学学报 2019年第6期39卷 615-623页

作者：李梁李剑飞张大伟王宁飞北京理工大学宇航学院北京100081 北京空间飞行器总体设计部北京100094 空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室北京100094

针对空间双臂系统捕获移动目标任务,建立了自由漂浮空间双臂机器人系统动力学模型.针对开链追踪过程,利用自适应方法同时实现速度估计和目标追踪的收敛,可保证双臂同时捕获目标,并设计了基于耦合、漂浮模型的反馈控制律;针对闭链对接过... 详细信息

针对空间双臂系统捕获移动目标任务,建立了自由漂浮空间双臂机器人系统动力学模型.针对开链追踪过程,利用自适应方法同时实现速度估计和目标追踪的收敛,可保证双臂同时捕获目标,并设计了基于耦合、漂浮模型的反馈控制律;针对闭链对接过程,根据运动约束协调规划双臂的运动,并利用反馈线性化法设计了一种自由浮动空间机器人双臂协调阻抗控制方法,使双臂并联系统的阻抗可以独立配置.仿真结果表明,相比纯追踪,该追踪方法捕获时间更短,轨迹更平直,闭链过程中有效降低了内力,保证了对接的平稳.

关键词：双臂协调空间双臂机器人阻抗控制目标抓捕

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空间绳系机器人目标抓捕及抓捕后稳定控制方法研究

空间绳系机器人目标抓捕及抓捕后稳定控制方法研究

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作者：王东科西北工业大学

学位级别：博士

空间绳系机器人系统是一种由―空间平台+空间系绳+末端抓捕机构‖组成的新型空间机器人系统,和传统空间机器人相比,具有操作灵活、操作距离远等优点,可广泛应用于包括在轨维修、轨道垃圾清理、辅助变轨及在轨空间站辅助组装等未来在轨... 详细信息

空间绳系机器人系统是一种由―空间平台+空间系绳+末端抓捕机构‖组成的新型空间机器人系统,和传统空间机器人相比,具有操作灵活、操作距离远等优点,可广泛应用于包括在轨维修、轨道垃圾清理、辅助变轨及在轨空间站辅助组装等未来在轨服务中。空间绳系机器人按照任务可以划分为释放逼近段、目标抓捕段和拖曳/回收段,其中目标抓捕及抓捕后稳定控制是空间绳系机器人进行在轨服务的前提。因此,空间绳系机器人目标抓捕及抓捕后稳定控制具有十分重要的研究意义。空间绳系机器人动力学高度耦合,导致其目标抓捕过程十分复杂,空间系绳干扰和碰撞力均会对空间绳系机器人的位置和姿态产生较大的影响,系统参数不确定性对目标抓捕稳定控制器设计带来困难;空间绳系机器人完成对目标抓捕后,由于抓捕过程中的碰撞和目标的自旋,导致抓捕后复合体不稳定,甚至会通过空间系绳威胁空间平台的安全。因此,本文主要研究空间绳系机器人目标抓捕及抓捕后稳定控制方法,论文的主要研究内容及成果如下:（1）建立了空间绳系机器人动力学模型。考虑了空间绳系机器人三轴姿态、空间系绳长度、面内角和面外角等因素,采用空间系绳珠子模型,利用拉格朗日方法,建立了空间绳系机器人动力学模型,为后续目标抓捕及抓捕后稳定控制研究提供模型支持。（2）建立了空间绳系机器人目标抓捕碰撞动力学模型,研究了目标抓捕动力学问题。明确了空间绳系机器人操作手爪和目标待抓捕部位结构模型,根据操作手爪和目标的特点,设计了操作手爪抓捕过程碰撞检测算法,利用赫兹接触模型描述操作手爪与目标的接触碰撞过程。在此基础上,对目标抓捕过程进行了动力学分析。仿真结果表明:空间绳系机器人动力学模型中系绳段数越多,仿真误差越小,精度越高;在目标抓捕过程中,和系绳拉直模式相比,系绳自由模式对空间绳系机器人的位置和姿态影响更大;抓捕初始时刻,空间绳系机器人与目标之间相对线速度和相对角速度过大,会引起目标脱离操作手爪抓捕包络,导致抓捕任务失败。（3）针对空间绳系机器人目标抓捕稳定控制问题,基于本文空间绳系机器人操作手模型,设计了基于位置的阻抗控制方法。其中,利用神经网络对空间绳系机器人模型不确定性进行估计,设计鲁棒项抑制空间系绳的干扰影响。仿真结果表明,基于阻抗控制的目标抓捕稳定控制方法可以实现对空间绳系机器人目标抓捕过程中的稳定控制;仿真对比表明,本文采用的鲁棒自适应控制方法可以有效地对模型不确定性进行补偿,控制过程中超调量更小,收敛时间更短,并且控制精度更高。（4）针对目标抓捕后复合体参数（质量、转动惯量及系绳连接点位置）已知的控制问题,设计了复合体稳定控制方法。其中,设计了自适应律对模型不确定性上限进行估计,并在控制器中进行补偿;针对控制输入饱和问题,引入辅助系统,降低控制过程中执行机构饱和程度,提高系统的控制性能。仿真结果表明,设计的复合体稳定控制器可以有效补偿模型不确定性带来的影响,系统超调量更小,控制过程更加平稳;此外,辅助系统的引入可以有效降低输入饱和程度,提升系统的控制性能。（5）针对非合作目标抓捕后复合体系统参数未知的稳定控制问题,设计了一种基于动态逆的自适应稳定控制方法。采用自适应律对系统参数进行估计;同时,考虑了复合体稳定控制过程中的执行器饱和受限问题。仿真结果表明,设计的基于动态逆的自适应稳定控制方法可以实现对系统参数的自适应估计,完成抓捕后复合体的稳定控制;同时,可以有效降低执行器饱和程度,改善系统的控制性能。

关键词：空间绳系机器人碰撞动力学目标抓捕鲁棒自适应控制抓捕后控制

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打捞机器人动态目标抓捕仿真研究

打捞机器人动态目标抓捕仿真研究

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作者：李作敏哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本文的打捞机器人属于串联式重载智能机器人，主要由液压机构驱动，搭载于船舰之上，以海上漂浮的圆柱形物体作为目标，对其进行打捞回收。由于船舰与目标在海上均处于不断运动的状态，成功实现抓捕具有一定的挑战性，因此本文针对打捞... 详细信息

本文的打捞机器人属于串联式重载智能机器人，主要由液压机构驱动，搭载于船舰之上，以海上漂浮的圆柱形物体作为目标，对其进行打捞回收。由于船舰与目标在海上均处于不断运动的状态，成功实现抓捕具有一定的挑战性，因此本文针对打捞机器人的动态目标抓捕仿真展开探索与研究。　　首先，为模拟打捞机器人在海上作业时船舰与目标均处于运动状态的真实环境，设计出半实物仿真系统，其机械系统主要包括：目标、打捞机器人、船舰运动模拟平台和目标运动模拟平台;控制系统主要包括：两个运动模拟平台的控制器、上位机的运动控制器与下位机的现场控制器。　　其次，由于打捞机器人结构复杂，具有多个自由度，难以获得其动力学方程的解析解，因此通过MATLAB/SimMechanics和ADAMS两种方法建立出其动力学模型。根据船舰运动模拟平台模拟的不同海况和打捞机器人的不同工况，指定两种动力学模型的运动状态，进行动力学分析，得到各个液压缸的受力曲线，并对两种不同方法得到的仿真结果进行对比分析，确保其可靠性，从而可以作为设计校核及元件选型的参考依据。　　接着，用D-H参数法对打捞机器人进行了正向和逆向运动学分析，以此为基础在Simulink里搭建出上位机的运动控制模型，与下位机的液压控制模型共同构成半实物仿真系统的总控制模型，再与ADAMS机械系统模型进行联合仿真。在四级海况下进行抓捕过程的仿真，仿真结果表明可以成功实现抓捕。　　最后，提出一种对目标运动进行预测的方法。主要思路是奇异谱分析方法(SSA)和ARMA模型预测结合，先采用奇异谱分析方对观测到的原始数据进行分析和预处理，过滤掉噪声，提取出有效成分;接着用ARMA模型对各有效成分分别进行预测，叠加得到最终预测结果，基于水池物理实验数据与水动力数值模拟数据验证了该预测方法的有效性，并与打捞机器人的运动控制结合，扩宽了抓捕的窗口长度，提高了抓捕可靠性。

关键词：打捞机器人目标抓捕半实物仿真系统动力学分析计算机仿真

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基于采样的自由漂浮空间机器人目标抓捕运动规划研究

基于采样的自由漂浮空间机器人目标抓捕运动规划研究

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作者：姜冲哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

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著地降低成本和风险,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... 详细信息

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著地降低成本和风险,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。

关键词：自由漂浮空间机器人采样运动规划目标抓捕非完整性碰撞规避

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空间机器人目标跟踪抓捕及地面实验研究

空间机器人目标跟踪抓捕及地面实验研究

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作者：杨海涛哈尔滨工业大学

学位级别：博士

伴随着人类太空探索活动的日益增多,空间科学技术的研究发展也越来越受到关注。由于硬件故障或燃料耗尽,每年都有大量卫星无法继续作业。因此,空间在轨服务技术具有非常高的科研价值和商用价值,在未来的太空科学领域必将蓬勃发展。考虑... 详细信息

伴随着人类太空探索活动的日益增多,空间科学技术的研究发展也越来越受到关注。由于硬件故障或燃料耗尽,每年都有大量卫星无法继续作业。因此,空间在轨服务技术具有非常高的科研价值和商用价值,在未来的太空科学领域必将蓬勃发展。考虑到通信卫星等高昂的开发成本和发射成本,能够执行卫星维护工作的在轨服务空间机器人应运而生。对于空间机器人来说,在轨捕获目标卫星是实现在轨维护的基础。而在轨捕获目标卫星需要通过在轨姿态跟踪、接近和抓捕三个过程来实现。本文主要研究空间机器人在轨姿态跟踪、接近和抓捕目标卫星过程的关键技术问题以及地面验证实验问题,这是空间机器人在轨服务的基础,能为后续空间机器人在轨任务的实现提供相应的技术支持。本文建立空间机器人的速度级运动学方程,在此基础上,提出一种基于优先级思想的速度级运动学,该算法通过建立各个子目标与零空间的映射关系,得到空间机器人多目标速度级运动学的通解。对运动学中的关节限位约束、关节速度约束和避奇异性这三个约束问题,分别提出了相应的优化方法,最后,将这三个约束统一到空间机器人多目标优先级的运动学通解中。在目标卫星的姿态跟踪和接近过程中,空间机器人需要借助相机或激光雷达等传感器来获取目标卫星的实时位姿信息,用于实现空间机器人的在线运动规划。本文通过手眼相机实时获取位姿信息,用于实现目标姿态跟踪与接近过程的运动规划,并对系统的时延问题进行分析和补偿。本文将多目标优先级运动学算法应用于空间机器人对目标卫星的姿态跟踪和接近过程的视觉伺服运动规划中。在姿态跟踪目标卫星的过程中,运动规划的目标是实现跟踪目标卫星的姿态的同时实现基座姿态无扰动,并对末端位置的运动进行优化。在接近目标卫星的过程中,运动规划的目标是实现空间机器人精确接近目标卫星的捕获点,并优化基座姿态的扰动。在目标卫星的抓捕过程中,空间机器人系统不可避免发生接触或碰撞问题。本文建立了空间机器人与目标卫星的动力学模型,分析了二者之间的接触/碰撞力与速度的关系,以此作为空间机器人运动控制与运动规划速度约束的理论依据。然后结合阻抗控制与基座姿态扰动优化的算法思想提出一种空间机器人抓捕目标卫星的多目标运动控制方法,该方法既可以保证抓捕接触的柔顺性,又可以减少对基座姿态的扰动。为验证上述的运动规划算法(目标姿态跟踪与接近)与运动控制算法(目标抓捕)在实际空间机器人系统应用的有效性,需要进行地面实验和验证。由于地面重力环境与太空微重力环境存在显著不同,这会导致空间机器人的动力学特性、运动规划以及运动控制等方面存在很大差别。为了更真实地模拟空间机器人在太空中的运动学与动力学特性,本文基于硬件在环仿真原理搭建了地面三维微重力模拟实验系统。该系统可用于实现空间机器人的三维空间运动,模拟基座的漂浮运动以及验证空间机器人抓捕目标过程中的接触碰撞问题。然后利用该系统进行基于视觉伺服的空间机器人在线运动规划与抓捕接触运动控制等相关实验,验证了该系统的有效性。

关键词：空间机器人多目标优先级目标抓捕姿态跟踪地面微重力模拟系统

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空间机器人抓捕目标后姿态接管控制

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航空学报 2015年第9期36卷 3165-3175页

作者：王明黄攀峰孟中杰常海涛西北工业大学航天学院智能机器人研究中心西安710072 西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室西安710072

针对姿轨控系统已经失效的目标航天器姿态控制问题,提出一种空间机器人抓捕目标后姿态接管控制方法。该方法首先利用空间机器人抓捕目标航天器,并保持在固定构型形成组合航天器;其次确定参数突变后组合航天器新的惯量主轴、主惯量和控... 详细信息

针对姿轨控系统已经失效的目标航天器姿态控制问题,提出一种空间机器人抓捕目标后姿态接管控制方法。该方法首先利用空间机器人抓捕目标航天器,并保持在固定构型形成组合航天器;其次确定参数突变后组合航天器新的惯量主轴、主惯量和控制力矩分配矩阵;然后在状态空间建立组合航天器的非线性误差姿态动力学;最后采用-α稳定度设计方法来设计服务航天器的SDRE姿态接管控制器,并通过θ-D求解方法得到SDRE控制器的次最优控制律,实现服务航天器对目标航天器的姿态接管控制。仿真结果表明,相比传统的SDRE控制器设计,基于-α稳定度设计的SDRE控制器能够使得系统闭环极点远离虚轴,θ-D求解方法可以降低计算量,因此具有更好的稳定性和实时性。

关键词：航天器接管控制姿态控制空间机器人目标抓捕次最优控制

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自由漂浮空间机器人抓捕目标的运动规划研究

自由漂浮空间机器人抓捕目标的运动规划研究

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作者：程相卿哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着空间技术的发展，利用航天器进行空间探索与开发的活动越来越多，如何保证航天器正常在轨运行已成为迫切需要解决的问题。早期受技术限制，在轨服务多由宇航员出舱完成，而出舱作业存在诸多不安全因素，宇航员面临巨大的风险。近年... 详细信息

随着空间技术的发展，利用航天器进行空间探索与开发的活动越来越多，如何保证航天器正常在轨运行已成为迫切需要解决的问题。早期受技术限制，在轨服务多由宇航员出舱完成，而出舱作业存在诸多不安全因素，宇航员面临巨大的风险。近年来，空间机器人得到了广泛应用，可以用来协助或代替宇航员完成大多数的在轨服务，大大降低了在轨服务的风险和成本。空间机器人的运动往往需要预先进行规划，使空间机器人在满足各项约束条件和性能指标的前提下完成任务。自由漂浮空间机器人的机械臂与基座存在动力学耦合，因而不能使用地面固定基座机器人的运动规划算法，有必要对自由漂浮空间机器人的运动规划算法进行研究。本文针对自由漂浮空间机器人的点位运动进行了运动规划。基于梯形速度法的运动规划，采用了以牺牲末端精度为代价的阻尼最小方差法求解雅可比矩阵的逆，由于利用梯形速度法规划出的末端速度不能实时调整，造成累积误差，致使末端无法到达期望位置。为解决这个问题，提出基于梯形速度曲线法和比例导引联合的运动规划算法。前一阶段利用梯形速度法规划末端速度，待运动到距离期望位置一定距离后切换到比例导引法。根据比例导引法规划出的末端速度可以实时调整更新，速度方向始终指向期望位置，末端最终可以到达期望位置。仿真结果证明了算法的有效性。然后针对自由漂浮空间机器人抓捕目标进行了运动规划。首先基于比例导引法进行了运动规划，并以抓捕作匀速直线运动的目标为例进行了数值仿真，仿真结果证明了规划算法的有效性。但是该规划算法不能预测抓捕时间，无法保证末端在目标飞出机械臂工作空间前抓捕到目标。为了估测出抓捕到目标的时间，现提出基于梯形速度法与比例导引法联合的运动规划算法。首先在机械臂工作空间内的目标运动轨迹上选取一点作为期望位置，同时可以得到目标运动到期望位置的时间。接着在初始阶段使用梯形速度法规划末端速度，使末端在目标到达该位置前运动到期望位置附近，当距离目标一定距离后切换到比例导引法，直至与目标交会。最后同样以抓捕作匀速直线运动的目标为例，仿真结果证明了规划算法的有效性。

关键词：自由漂浮空间机器人运动规划目标抓捕梯形速度法比例导引法

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基于LSTM的空间机器人系统惯性张量在轨辨识

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航空学报 2021年第11期42卷 300-309页

作者：初未萌杨今朝邬树楠吴志刚大连理工大学航空航天学院大连116024 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024

在空间机器人抓捕目标的过程中,整个系统的惯性张量会随时间变化且在目标被捕获瞬间发生突变,这会严重影响整体姿态控制的精度。针对以上问题,提出了一种基于长短期记忆(LSTM)的系统惯性张量在轨实时辨识方法。首先,对于目标捕获前后的... 详细信息

在空间机器人抓捕目标的过程中,整个系统的惯性张量会随时间变化且在目标被捕获瞬间发生突变,这会严重影响整体姿态控制的精度。针对以上问题,提出了一种基于长短期记忆(LSTM)的系统惯性张量在轨实时辨识方法。首先,对于目标捕获前后的2个阶段,利用拉格朗日方程建立了空间机器人的动力学模型;然后,基于所建空间机器人模型采用域随机化方法生成足量训练数据,并用其对由LSTM网络与多层全连接网络构建的参数辨识网络进行训练;最后,使用训练好的参数辨识网络对系统惯性张量进行辨识。数值仿真结果表明:所提方法能够精确辨识空间机器人抓捕过程中的系统惯性张量,所研究系统的主惯量平均相对辨识误差小于0.001,惯性积的平均相对辨识误差小于0.01。

关键词：空间机器人长短期记忆网络惯性张量在轨辨识目标抓捕

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双臂空间机器人球形外包络抓捕控制

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北京航空航天大学学报 2023年

作者：夏新会贾英宏张军北京航空航天大学宇航学院北京控制工程研究所空间智能控制技术重点实验室

针对双臂空间机器人抓捕目标的控制问题，设计一种全新的利用双臂球形外包络捕获运动目标的抓捕方案。首先，为避免机械臂抓捕时推离目标，进行双臂球形外包络的结构设计，通过其几何特性约束目标的运动，避免目标逃逸。其次，根据外包... 详细信息

针对双臂空间机器人抓捕目标的控制问题，设计一种全新的利用双臂球形外包络捕获运动目标的抓捕方案。首先，为避免机械臂抓捕时推离目标，进行双臂球形外包络的结构设计，通过其几何特性约束目标的运动，避免目标逃逸。其次，根据外包络与目标的接触碰撞条件，分别建立碰撞检测模型与精确的外包络接触碰撞模型，利用外包络与目标之间的摩擦降低目标运动速度，为机械臂提供安全的抓捕环境。进一步，基于视觉伺服方法设计两部机械臂抓捕运动目标的实时期望轨迹，并基于逆动力学方法完成双臂协调跟踪控制律的设计。最后，完成闭环控制系统仿真实验，对自由漂浮双臂空间机器人对立方星目标进行包络抓捕控制，仿真结果验证了所设计的包络抓捕控制器的有效性。

关键词：双臂空间机器人球形外包络目标抓捕轨迹规划碰撞检测接触力建模

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重型智能打捞机器人控制器在环仿真研究

重型智能打捞机器人控制器在环仿真研究

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作者：陈亮哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

智能打捞作业拟在高海况下利用舰载机器人完成高价值海面漂浮物的抓取和可靠回收。为解决其中涉及的波浪动力学分析、大型串联机器人功能设计、海面漂浮物运动预测、海面漂浮物的智能抓捕等一系列核心技术问题,需构建一个半实物仿真系统... 详细信息

智能打捞作业拟在高海况下利用舰载机器人完成高价值海面漂浮物的抓取和可靠回收。为解决其中涉及的波浪动力学分析、大型串联机器人功能设计、海面漂浮物运动预测、海面漂浮物的智能抓捕等一系列核心技术问题,需构建一个半实物仿真系统,利用成熟的仿真技术来优化设计和训练控制算法。考虑控制器算法设计和验证的复杂性,特别需要构建控制器在环的仿真系统进行设计。本文在已有的半实物仿真系统基础上,对控制器在环仿真系统进行设计,为了和不同仿真模式下的信号连接相匹配,对系统信息流进行了设计。将液压系统与机械系统的模型集成于实时仿真平台。将运动学模型、轨迹规划集成于上位机,控制算法集成于下位机,并制定了上下位机之间的通讯方式。针对机器人运动学与动力学进行分析,建立了机器人正运动学模型,分别采用了解析法、BP神经网络法、牛顿法求解机器人的逆运动学,并对这三种方法的效果进行了对比。然后分别建立了机器人动力学模型与机械手动力学模型,为控制器在环仿真提供了仿真模型。针对机器人的运动轨迹进行了规划,首先对跟踪过程中的相对位置进行设计,使机器人在跟踪目标时,能够保证目标在视觉相机观测范围之内。然后在关节空间进行轨迹规划,分别采用4-3-4轨迹和基于加速度轨迹进行规划,并对两种方法进行了对比,结果表明,基于加速度轨迹规划方法的轨迹更为平滑,能够减小冲击。同时,针对实验中可能出现的碰撞现象设计了防碰撞机制,仿真结果表明,防碰撞机制能够有效地避免碰撞的发生,保证实验的安全进行。针对机器人控制系统进行设计,首先对机器人液压驱动系统进行建模。考虑到在抓捕的过程中,机械手与目标可能会发生较大程度的碰撞,为保证抓捕过程的柔顺性,避免设备损坏,为机器人设计了柔顺控制算法。同时考虑到机器人抓捕目标后结构突变的影响,设计了变负载控制算法,仿真结果表明,所设计的控制算法能够顺利完成机器人对目标的跟踪和抓捕。最后利用控制器在环仿真系统进行总体调试和实验验证,将控制器硬件接入仿真实物,对控制器进行实物仿真,验证了目标抓捕策略的有效性。

关键词：控制器在环仿真轨迹规划柔顺控制目标抓捕

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