关键词：空间机械臂;;运动学和动力学;;多目标轨迹规划;;任务规划
摘 要：空间机械臂系统作为空间站的一个重要子系统,在人类探索太空的进程中发挥着重要的作用。本课题以冗余自由度的空间机械臂为研究对象,在运动学和动力学分析的基础上,对其进行多目标轨迹规划研究和任务规划研究:首先,对冗余自由度的空间机械臂进行运动学和动力学分析。采用改进的DH方法建立空间机械臂的运动学模型,利用矢量积方法计算机械臂的雅可比矩阵。采用阻尼最小二乘法求解冗余自由度机械臂的逆运动学,结合梯度投影法,可以发挥冗余自由度机械臂在性能指标优化方面的优势。采用改进的Newton-Euler方法求解机械臂的逆动力学。应用基于动力学模型一般方程的方法计算机械臂正动力学,其计算过程主要分为求取关节角加速度和数值积分两大步骤。冗余自由度空间机械臂的运动学仿真和动力学仿真分别通过在Matlab软件中搭建Simulink模型和Sim Mechanics模型实现。然后,对空间机械臂进行多目标轨迹规划研究。采用三次均匀B样条曲线构造速度和加速度都连续的空间机械臂关节轨迹。分别以机械臂的运动时间最短、能量消耗最少、轨迹冲击最小作为三个相互独立的优化目标,以机械臂的关节位移、速度、加速度和关节力矩的限制作为约束条件,建立空间机械臂轨迹规划问题的数学模型。仿真结果表明使用遗传算法求解数学模型,可以获得期望的机械臂关节轨迹,同时满足空间机械臂轨迹规划的各项约束条件。之后,对空间机械臂进行任务规划研究。针对纷繁复杂的空间机械臂在轨操作任务建立一种统一的任务模型,将空间机械臂执行某项在轨操作任务的过程划分为5个任务阶段。结合各个阶段的任务特点,给出相对应的各自不同的优化目标考虑因素。针对某些阶段中因素指标相互之间存在制约的情况,使用NSGA-II算法进行空间机械臂的多目标综合优化问题求解,可以获得良好的Pareto最优解集。仿真结果表明此时机械臂的多个性能指标达到综合最优的状态。最后,搭建地面半物理仿真实验系统进行实验研究。首先进行冗余自由度机械臂的任务空间轨迹规划实验研究。然后在所获得的机械臂关节空间轨迹序列中选取若干组机械臂构型,作为空间机械臂各个关节轨迹的型值点进行多目标轨迹规划研究。最后进行空间机械臂的任务规划实验研究。实验结果证明了本文研究的空间机械臂多目标轨迹规划和任务规划算法具有较好的正确性和实用性。
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