面向空间载荷更换的三指式末端执行器及操作控制的研究

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1、博士学位论文面向空间载荷更换的三指式末端执行器及操作控制的研究RESEARCHONATHREE-FINGEREDEND-EFFECTORFORORBITALPAYLOADREPLACEMENTANDOPERATIONCONTROL吴军哈尔滨工业大学2018年4月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文面向空间载荷更换的三指式末端执行器及操作控制的研究博士研究生：吴军导师：刘宏教授申请学位：工学博士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年4

2、月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.6U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineering↑（Times小2号字）RESEARCHONATHREE-FINGEREDEND-EFFECTORFORORBITALPAYLOADREPLACEMENTANDOPERATIONCONTROL↑（Times2号字加粗）Candidate：WuJunSupervisor：Prof.LiuHongAcademicDegreeApplied

3、for：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：April,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着航天科技与机器人技术的发展，机器人在航天任务中的重要作用日益凸显。其中，机械臂是最常见的空间机器人系统之一。使用机械臂完成空间载荷更换是在轨服务中

4、的基本操作，而机械臂末端执行器是进行空间载荷更换的主要部件，尚存在很多亟待解决的问题。本文对面向空间载荷更换的末端执行器性能需求、样机研制及操作控制进行了深入研究，研制出一套具有“大位姿容差、小体积质量、机电接口”特点的三指式末端执行器，并在空间应用有限传感器条件下研究了其操作控制方法，最后通过地面实验验证了设计、控制方法的有效性。本文进行了三指式末端执行器样机研制。通过分析基本几何约束模型，构建了多阶段组合的几何约束方案，保证了大位姿容差能力；设计了基于近似直线组合连杆机构的抓取运动链，使其在有限空间约束条件下生

5、成与几何约束对应的抓取指尖运动轨迹，且具有体积小、质量轻、稳定性高的特点；在此基础上，进行几何约束方案的机构实现，完成了具有大位姿容差的高集成度机电一体化样机研制；通过末端执行器模型仿真，分析位姿容差并验证几何约束方案的有效性。针对末端执行器在大位姿偏差下的抓取问题，本文对机械臂与末端执行器系统协同抓取方法进行了研究。将协同抓取分为位姿估计、位姿矫正、动态抓取三个组成单元；首先，根据抓取模型几何特征，进行基于接触力信息的目标位姿估计，使估计过程满足实时性、可靠性要求；然后，在构建对接接口人工势场模型的基础上，采用虚

6、拟阻抗算法修正线性位姿矫正轨迹，实现了避碰撞位姿矫正；同时，根据当前位姿偏差动态调整抓取速度，并采用模糊控制器建立位姿偏差与抓取速度的映射关系，实现了平稳、快速的抓取过程；通过仿真验证了协同抓取方法的有效性。针对末端执行器与空间载荷的电气接口对接问题，本文对柔顺对接方法进行了研究。针对电气接口的微小间隙与弱抗冲击能力特点，采用在对接方向上施加作用力，其他方向上保持柔顺的控制思路，以此建立了基于混合阻抗控制的对接控制架构，并通过自适应控制器提高了对接过程力控制性能；此外，设计了基于事件的控制切换策略，在非约束空间和约

7、束空间对混合阻抗控制参数进行调整，从而实现了对接过程中任务空间切换时的平滑过渡；通过电气接口对接仿真验证了算法的有效性。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文为了验证末端执行器设计、操作控制方法的有效性，本文搭建平面自由漂浮环境、机械臂与末端执行器系统两个实验平台，在此基础上进行了平面自由漂浮操作、协同抓取、电气接口对接、末端执行器操作实验。结果表明：末端执行器位姿容差满足要求，操作过程符合逐步增强约束的设计思路；协同抓取方法可使末端执行器在大位姿偏差下实现对空间载荷的稳定抓取，且保证抓取过程的平稳性、快速性；柔顺对

8、接方法可保证对接过程中的精确力控制和任务空间切换时的平滑过渡，使末端执行器实现与空间载荷的可靠电气连接；本文所研制的末端执行器可稳定地完成操作任务，满足空间载荷更换需求。关键词：空间载荷更换；三指式末端执行器；协同抓取；柔顺对接；混合阻抗控制-II-AbstractAbstractWiththedevelopmentofspacetechnologyandr