自由漂浮空間機器人多體動力學及目標捕獲研究.pdf

1、隨著人類對太空探索的不斷深入，自由漂浮空間機器人將發(fā)揮著越來越重要的作用，成為國內(nèi)外學者研究的熱點問題。由于自由漂浮空間機器人的基座處于自由漂浮狀態(tài)，整個系統(tǒng)受到非完整約束，使得自由漂浮空間機器人對目標航天器的捕獲變得十分困難，為了更好地設計控制系統(tǒng)與研究自由漂浮空間機器人的動態(tài)特性，有必要對自由漂浮空間機器人進行多體動力學研究。由于航天系統(tǒng)的特殊性，需要高效率的多體動力學建模與計算方法。本文以此為背景，重點研究了自由漂浮空間機器人及其

2、擴展系統(tǒng)的多體動力學以及自由漂浮空間機器人目標捕獲的方法，并提出了一種地面試驗系統(tǒng)方案。下面對這幾個方面進行詳細的介紹：
　　 研究了基于空間算子代數(shù)(Spatial Operator Algreba，SOA)理論的高效率多體動力學建模方法，利用基于旋量形式的牛頓.歐拉遞推運動學方程，使用序貫濾波和光滑化最優(yōu)估計理論方法，對多體系統(tǒng)的廣義質(zhì)量矩陣進行矩陣分解，并且顯式地表達了廣義質(zhì)量矩陣的逆矩陣，建立了通用的基于空間算子代數(shù)理論

3、的多剛體系統(tǒng)的動力學方程以及正向動力學和反向動力學的高效率求解方法。該方法具有數(shù)學表達形式直觀、計算高效和物理意義明確等優(yōu)點。
　　 基于空間算子代數(shù)理論，對自由漂浮空間機器人的擴展系統(tǒng)進行多體動力學研究，建立了樹形多體系統(tǒng)、欠驅(qū)動系統(tǒng)以及閉環(huán)系統(tǒng)的動力學方程。高效率的動力學方法為空間復雜多體系統(tǒng)的實時動力學仿真以及控制系統(tǒng)的建模分析提供了理論依據(jù)。研究了基于滑模變結構控制的欠驅(qū)動機器人控制算法，類比于廣義質(zhì)量矩陣的分塊將控制系

4、統(tǒng)進行分層，在只有主動控制輸入的情況下，使得主動關節(jié)和被動關節(jié)都收斂到期望的狀態(tài)。
　　 研究了柔性系統(tǒng)多體動力學問題。利用有限元技術，結合基于空間算子代數(shù)的多剛體動力學方法，建立了柔性體的多體動力學方程，研究了柔性多體系統(tǒng)的正向動力學和方向動力學高效率求解方法。
　　 基于雙目立體視覺伺服方法，提出了自由漂浮空間機器人目標捕獲的方法，編制了仿真軟件。利用雙目立體視覺系統(tǒng)測量目標體的空間位置姿態(tài)，反饋給機器人控制系統(tǒng)，根

5、據(jù)機械臂的運動，利用高效率的實時動力學方法實現(xiàn)基座在仿真軟件中的運動。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)基于雙目立體視覺伺服的自由漂浮空間機器人可以跟蹤并達到目標體的位置，表明所提出的目標捕獲方法是可行的。
　　 對航天器活動的可靠性和可行性分析，不僅需要理論上的驗證，還需要實際地在地面進行物理試驗驗證。利用空間算子代數(shù)動力學建模和計算方法在實時動力學計算效率方面的優(yōu)勢，提出了一種混合式的地面試驗平臺的設計方案：將工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器與空間機器