关键词：空间机械臂;;容错;;欠驱动;;模型重构;;A*算法
摘 要：空间机械臂是在轨维护与建设的重要工具,在代替宇航员进行舱外作业、舱体转移和对接等方面发挥着关键性的作用。综合考虑空间机械臂工作环境的恶劣性以及关节内部的结构复杂性,在其长期服役过程中极有可能出现关节失效现象。空间机械臂一旦失效,通常无法进行及时修复,这将导致空间任务的推迟甚至延误,从而影响到整个航天计划的实施。为了使空间机械臂在某些关节出现故障的情况下,仍能继续完成后续工作任务,对空间机械臂提出了容错要求。本文针对七自由度空间机械臂发生关节失效的情形展开了相关研究,进行了空间机械臂容错运动控制系统研制。具体包括单关节失效空间机械臂的在线调整策略研究、运动学模型重构研究、容错路径规划策略研究以及系统研制及实物实验。首先,针对空间机械臂发生关节摆动类型故障的问题,提出了故障关节在线调整策略。通过综合分析机械臂的运动性能,确定了故障关节的最优锁定角度。为了使故障关节能够调整至最优锁定角度,建立了被动关节与主动关节之间的动力学耦合关系,并通过PD控制解决了被动关节向期望角度的调整。本文所提出的运动性能分析方法综合考虑了机械臂关节空间以及操作空间的运动性能;所提出的耦合关系分析方法能够解决七自由度机械臂任意关节发生故障时的在线调整。其次,针对空间机械臂故障关节锁定后,运动学模型不再适用的问题,开展了运动学模型重构研究。本文分别基于DH参数建模方法及旋量理论建模方法,对发生单关节故障的七自由度空间机械臂进行了运动学模型重构,并获取其重新构建的运动学参数。在此基础上,提出了一种通用的运动学模型重构方法,能够适应不同自由度不同构型的机械臂发生任意关节失效情况时的运动学模型重构。再次,为了使得单关节故障机械臂仍能进行后续任务,本文对单关节失效空间机械臂的容错路径规划展开了研究。通过综合运动性能指标的建立,提出了一种空间机械臂综合运动性能退化工作空间分析方法,能够解决对故障机械臂工作空间的综合运动性能表征。在传统A*算法的基础上,增加了综合运动性能指标改进项,解决了考虑综合运动性能的容错路径规划,建立了适用于故障机械臂的路径规划算法。最后,进行了单关节失效空间机械臂容错控制系统研制及实物验证。该系统不仅能够对理论成果进行验证,也能够对仿真任务进行直观的三维展示。在此基础上,本文以实验室地面实验平台为基础,进行了实物实验,进一步验证了所提方法的实际应用性。
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