-dof空间机械臂运动控制方法研究

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1、学校代号10532学号S1009G124分类号TP24密级公开硕士学位论文6-DOF空间机械臂运动控制方法研究学位申请人姓名张光辉培养单位电气与信息工程学院导师姓名及职称王耀南教授学科专业控制科学与工程研究方向智能控制与机器人论文提交日期2015年4月20日学校代号：10532学号：S1009G124密级：公开湖南大学硕士学位论文6-DOF空间机械臂运动控制方法研究学位申请人姓名：张光辉导师姓名及职称：王耀南教授培养单位：电气与信息工程学院专业名称：控制科学与工程论文提交日期：2015年4月20日论文答辩日期：2015年5月27日答辩委员会主席：王辉教授ResearchonMot

2、ionControlMethodsfor6-DOFSpaceManipulatorbyZHANGGuanghuiB.E.(HunanUniversity)2010AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinControlScience&EngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorWANGYaonanApril,2015湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈

3、交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密

4、□，在______年解密后适用本授权书。2、不保√密□√。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I摘要空间技术已经成为一项衡量国家综合实力的重要标准，世界各国竞相发展，越来越受到人们关注。航天强国均已建设了自己的空间站，并以此为基础向深空领域发展，我国航天“三步走”的战略也正在顺利实施。空间机械臂技术作为空间技术的一项基础技术，是保障我国航天事业顺利前进的基础，研发出可靠实用的空间机械臂，对促进航天技术和民用技术发展都有重大意义和价值。本文依托中国航天科技集团的“小型空间机械臂原理样机”合作科研项目，对6-DOF(SixDegreesofFre

5、edom)空间机械臂的运动控制进行了全方位的研究，针对目前存在的两个难点，分别提出了解决方案，并进行了验证。针对缺乏高效实用的空间机械臂运动控制软件系统架构的难题，提出一种C/S(Client/Server)结构下的基于多线程和循环队列的空间机械臂运动控制软件架构。架构由Client端与Server端组成，分别承担不同的功能。并以自主研发的6-DOF小型空间机械臂为平台，详细介绍了架构的实现过程，进行了仿真验证，结果表明架构能够满足实际的空间机械臂运动控制需求；同时，架构与平台和操作系统无关，不需要任何预备知识，可大大缩短开发周期和实现难度。针对缺少经济有效的重力环境下大范围柔顺

6、控制方法的难题，提出一种基于末端F/T传感器的重力环境下大范围柔顺控制方法。该方法基于机械臂运动学对机械臂末端重力进行实时补偿，消除机械臂末端重量对末端F/T传感器测量值的影响，然后通过关节空间基于位置的阻抗控制策略实现柔顺控制。为了全面介绍该方法的实现过程，以6-DOF小型空间机械臂为例，首先采用D-H(Denavit-Hartenberg)参数法对空间机械臂进行数学建模，建立了机械臂位置级、速度级正/逆运动学方程，同时，为了解决位置级逆运动学方程多解的问题，提出一种逆运动学优化方法，并对位置级正/逆运动学方程计算精度及逆运动学优化方法进行了验证；然后，以三种机械臂路径规划插值

7、算法为基础，分别设计和验证了空间机械臂单节点和多节点路径规划方案；最后详细介绍了基于运动学的空间机械臂末端重力实时补偿算法，及大范围柔顺控制方法的计算机实现过程，并基于以上工作，对实时重力补偿算法和重力环境下大范围柔顺控制效果进行了验证。结果表明该方法，能够实现机械臂在大范围内任何末端位姿下的外力跟踪，使得机械臂在运动控制的整个过程都具备柔顺能力，且静态时能够保持稳定，使机械臂的操作过程更加贴近生物臂。关键词：空间机械臂；运动控制；软件架构；运动学建模；路径规划；柔顺控制Abst