空间机器人目标捕获的自适应规划

与地面固定基座机器人不同的是,空间机器人的运动学方程中含有动力学参数。在执行目标捕获任务时,目标动力学参数的不精确会给空间机器人的规划带来致命的影响。针对目标捕获后动力学参数不精确情况下的关节空间规划问题,在建立了自由飘浮空间机器人运动学模型的基础上,给出了雅可比矩阵及其动量守恒方程中的惯性参数以及惯性参数的组合参数线性化的具体形式,提出了一种关节空间的自适应规划方法。以平面二连杆空间机器人为研究对象进行仿真验证。结果表明,所提出的自适应规划方法可以有效降低惯性参数不精确给运动规划带来的影响,为空间机器人执行目标捕获等任务时提供了任务空间内精确轨迹跟踪的能力。     

空间机器人目标捕获的零扰动方向分析

空间机器人在执行捕获任务时目标与机械臂的碰撞给基座带来的姿态扰动是致命的针对目标捕获时基座姿态扰动最小化问题,在建立了自由飘浮空间机器人捕获目标动力学模型的基础上,提出了自由飘浮状态下基座零扰动冲击方向的概念,给出了捕获过程中基座姿态无扰的条件是碰撞冲击力方向与基座零扰动冲击方向一致,并用角动量的分布与传递解释了零扰动...     

空间机器人目标捕获过程中碰撞运动分析

针对空间机器人目标捕获过程中的碰撞问题,提出了一种碰撞运动分析算法．基于空间机器人运动学 和动力学模型,利用碰撞过程中产生冲量的原理建立了碰撞动力学模型．针对具体的碰撞模型,利用空间解析几何 的方法进行了空间机器人与目标物之间的碰撞检测,设计了碰撞发生后机器人的运动分析算法．最后,通过仿真实 验验证了该算法的正确性和适用性．     

机器人运动规划中的姿态空间建模方法研究

提出机器人运动规划中的一种姿态空间建模方法,其基本思想是在工作空间中定义具有某种特征的点为基本碰撞体,可用于机械臂在复杂环境中的运动规划建模。实验表明该建模方法是有效可行的。     

自由漂浮空间机器人回避动力学奇异的轨迹规划

针对非完整约束导致的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵动力学奇异性问题,提出一种间接求解机器人逆运动学的方案.该方案通过运动方程分解并构造迭代函数,将动力学奇异转换为运动学奇异问题,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,解决广义雅可比矩阵动力学参数相关特性问题,仿真结果表明该方法能够有效地实现自由漂浮空间机器人回避动力学奇异的非完整轨迹规划.     

空间机器人捕获目标的自适应控制

本文首先推导了基座姿态受控空间机器人系统运动学关系,得到了广义雅可比矩阵。根据目标的运动来规划机械臂末端在惯性空间的期望轨迹。对机器人动力学和运动学关系进行线性参数化,分别对动力学待估参数和运动学待估参数设计在线修正律,在关键空间采用自适应控制。对于存在动力学参数不确定性的机器人系统,该自适应控制算法保证了系统的渐近稳定,在完成目标捕获任务的同时,控制基座姿态保持在期望范围之内。以平面两关节空间机器人系统为对象进行了仿真,结果表明了算法的可行性和有效性。     

机器人操作臂跟踪动态目标的轨迹规划方法

针对机器人操作臂跟踪运动目标问题,提出一种基于遗传算法的轨迹规划方法。通过对关节加速度的增量进行编码,实现在操作臂的关节空间进行轨迹优化,得到操作臂在跟踪运动目标过程中所需要的轨迹。仿真计算的结果表明,所提出的方法是有效的。     

自由飘浮空间机器人运动规划研究综述

本文介绍了自由飘浮空间机器人的运动学特性;从避奇异点规划、姿态调整规划和协同控制规划三个方面总结了自由飘浮空间机器人的运动规划研究现状,并对现有方法的局限性进行了分析;最后给出了自由飘浮空间机器人运动规划下一步需要研究的问题与解决思路。     

空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法

针对目标以任意轨迹运动且其轨迹可能与``有保证工作空间'不相交的问题, 提出了空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法. 首先, 根据手眼视觉测量数据, 预测目标的运动路径, 由此确定空间机器人对目标的最优交会姿态及最佳捕获臂型; 其次, 规划基座姿态及机械臂关节角的轨迹; 最后, 采用协调控制的方法, 实现空间机器人系统对运动目标的最优捕获(以最优交会姿态及最佳捕获臂型对目标进行捕获). 仿真结果表明了该方法的有效性.     

A Ground Experiment System of Free-floating Robot For Capturing Space Target

Technology for the capturing of space target is very important for on-orbit servicing. In order to assure the task is accomplished successfully, ground experimentations are required for the verification of the planning and control algorithms of space robotic system before it is launched. In this paper, an experiment concept is used, which is a hybrid approach, i.e. it combines the mathematical model with the physical model. The key issues of the concept are dynamic emulation and kinematic equivalence, in which the behaviors of the space robotic system are calculated by its dynamic equations. The motion of its end-effector and the space target is realized by two industrial robots. According to different observation spots, two modes of capturing process are emulated: one is observed from the inertial frame, the other is from the space base. Based on the concept proposed above, a ground experiment system is set up, which is composed of two industrial robots, a set of global visual system and five industrial computers. Using the system, algorithms of space robot of any geometry and mass properties can be tested. As an example, the autonomous trajectory planning algorithm is verified by the experiment of capturing a moving target. Moreover, a real-time 3D simulation system is developed to emulate the capturing process in 3D space. Numeric simulation and experiment results show that the ground system is effective in evaluating the planning and control algorithms of space robot.     

空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法

提出了基于立体视觉的空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法,包括图像处理与特征提取、3D 重构及位姿测量、自主规划与控制等．同时,还建立了一套仿真系统,可进行包括图像采集、位姿测量、追踪星 GNC、空间机器人规划与控制、航天器动力学计算等在内的闭环仿真．仿真结果验证了算法的有效性．     

Autonomous Path Planning and Experiment Study of Free-floating Space Robot for Target Capturing

Space robotic systems are expected to play an increasingly important role in the future. The robotic on-orbital service, whose key is the capturing technology, becomes research hot in recent years. In this paper, the authors propose an autonomous path planning method for target capturing. The task is described in Cartesian space and it can drive the manipulator to approach the target along the closest path. Firstly, the target feature is extracted based on the measured information via the hand-eye camera, and the target pose (position and orientation) and velocities (linear velocity and angular velocity) are estimated using Kalman filtering technology. Then, a numerically feasible approach is presented to plan the manipulator motion and avoid the dynamic singularities, which are transformed into real-time kinematic singularities avoiding problem. Thirdly, the potential disturbance on the base due to the manipulator’s motion is estimated, and the joint rates are autonomously adjusted to reduce the disturbance if it is beyond the allowed bound. At last, a ground experiment system is set up based on the concept of dynamic emulation and kinematic equivalence. With the experiment system, the autonomous target capturing experiments are conducted. The experiment results validate the proposed algorithm.     

自由飘浮空间机器人系统基座姿态调整

规划机械臂的运动以调整作为其基座的卫星的姿态，既节约姿控燃料，又可作为常规姿控系统的备份手段．首先，建立自由飘浮空间机器人系统的状态方程，其状态变量为关节角和卫星姿态角，输入变量为关节角速度．基于系统能控性理论，规划连接系统初始状态和期望状态的路径，实现了仅通过机械臂关节的运动同时控制基座姿态和机械臂关节角的目的．从理论上分析了机械臂的能量消耗，给出了使能量指标最小的近似最优算法．仿真结果表明了该方法的有效性．     

空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应控制器设计

针对空间绳系机器人（Tethered space robot,TSR）目标抓捕过程中的稳定控制问题,建立空间绳系机器人系统模型,根据阻抗控制原理,设计基于位置的阻抗控制方法;针对空间绳系机器人系统的模型不确定性问题,利用神经网络对不确定性进行估计补偿,设计鲁棒项对空间系绳干扰和神经网络估计误差的影响进行抑制,在此基础上设计空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应稳定控制器,并进行稳定性证明.最后对设计的控制器进行仿真验证.作为对比,对无鲁棒项自适应的稳定控制器进行仿真.仿真结果表明,设计的基于阻抗控制的鲁棒自适应控制可以实现对空间绳系机器人目标抓捕过程中的稳定控制,与无鲁棒项自适应的稳定控制器仿真结果相比,本文采用的鲁棒自适应控制方法可以有效地对不确定性进行补偿,控制过程中超调量更小,收敛时间更短,并且控制精度更高.     

空间机器人抓捕目标后基于任务相容性的消旋策略

针对双臂空间机器人抓捕自旋目标后的镇定操作,在考虑机器人系统输入约束的条件下,提出了一种基于任务相容性的消旋规划与控制方法。首先,给出空间机器人抓捕目标后的组合系统的动力学模型,作为规划与控制的基础。然后,根据动力学可操作度和任务相容性设计了目标的快速消旋策略,其期望加速度的方向和大小分别取作速度的反方向和机器人系统输入约束允许的最大值。最后,基于所推导的运动学和动力学模型,通过对目标和机械臂末端分别建立柔顺度等式,提出了一种跟踪期望运动轨迹同时对末端接触力进行调节的柔顺控制方法。通过双臂7自由度空间机器人消除目标自旋运动的仿真结果,验证了所提方法的有效性。     

基于Vega的双臂空间机器人飞行及捕捉目标的轨迹规划仿真

提出了一种利用Vega来实现双臂空间机器人飞行及捕捉目标的轨迹规划仿真系统．简要介绍了仿真系统的开发环境及其实现方法．该仿真系统在SGI工作站上, 利用Multigen Creator 建模工具和三维视景仿真软件Vega来实现空间机器人本体及被捕捉目标的建模和仿真, 能为机器人的轨迹规划、运动学分析和运动控制的算法设计提供重要信息, 并能对其理论和算法的可行性加以验证．     

空间机械臂全局反作用优化及其地面试验研究

针对空间机械臂在运动过程中对其基座产生力／力矩反作用这一问题进行了分析,并提出一种关节轨迹参数化的全局反作用优化方法,用于减小机械臂的反作用力／力矩．基于气浮轴承方法,建立了3自由度空间机械臂反作用优化地面实验系统．最后,采用3自由度机械臂验证了该方法的有效性．