双臂空间机器人典型在轨维修操作研究

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1、硕士学位论文双臂空间机器人典型在轨维修操作研究RESEARCHONTYPICALON-ORBITSERVICINGOPERATIONOFDUAL-ARMSPACEROBOT张一丁哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP244.2学校代码：10213国际图书分类号：681.568.74密级：公开工学硕士学位论文双臂空间机器人典型在轨维修操作研究硕士研究生：张一丁导师：金明河教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP244.2U.D.C:681.568.74Dissertat

2、ionfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTYPICALON-ORBITSERVICINGOPERATIONOFDUAL-ARMSPACEROBOTCandidate：ZhangYidingSupervisor：Prof.JinMingheAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Co

3、nferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着人类社会的发展和科技水平的进步，太空活动逐渐频繁，对于人类发展产生了深远的影响。从军事设施到民用卫星，地球表面太空中的飞行器逐渐增多，太空环境逐渐恶劣，这对于航天器的生存提出了挑战。目前对于太空中的故障卫星大多采取报废处理，这进一步加剧了太空垃圾的增长。对于这样的现状，设计出一种无人的、自动化的在轨维修机器人成了各国的热门研究课题。本文旨在设计出一种双臂空间机器人，可以实现自动控制或遥操作控制来完成在轨维修任务。本文主要研究内容包括：设计出一种包含两个七

4、自由度冗余机械臂的双臂空间机器人，基于具体的维修任务进行位置控制和阻抗控制研究，并进行仿真实验验证。论文建立了双臂空间机器人的三维模型。采用D-H参数法设计出一种“3-1-3”构型的七自由度冗余机械臂，给出了其具体的动力学参数，给出了其逆运动学的求解方法，并对于其多解现象进行筛选与分析。利用五次多项式在关节空间中进行轨迹规划，避免在速度级与加速度级层面的突变。忽略重力影响，利用牛顿欧拉法和组合体惯量法简化了动力学模型的求解。针对具体的在轨维修任务，研究了适用的位置控制方法。对于PD控制策略和计算力矩控制策略进行仿真实验，提出多项评判指标来比较二者在不同运动速度下的控制效果，得出PD控制

5、策略可以较好的满足本文中在轨维修任务。并针对PD控制模式下的双臂空间机器人进行抓握准备操作仿真，得到的结果满足设计要求。论文进行了适用于双臂空间机器人的阻抗控制策略研究。针对双臂空间机器人在轨维修系统的任务特点，建立了阻抗模型，可以有效的用于实现维修操作时的阻抗控制。针对在轨维修系统进行直线进给切割任务时可能出现的故障卫星姿态偏移、双臂内力不协调等问题，基于关节力矩的阻抗控制提出同步阻抗控制方法。针对双臂空间机器人进行维修操作时可能出现的多点干扰情况，提出多空间阻抗控制策略，通过力的解耦降低外力对于物体空间的干扰。本文的最后主要是基于具体的在轨维修任务进行了多项仿真实验。在阻抗控制模式

6、下进行了单臂抓握移动故障卫星的仿真，并与位置控制模式下控制效果进行比较，提出了在多种控制模式下的优劣性。针对切割任务采用同步阻抗模式进行仿真，从结果可以看出双臂之间可以较好的协调好受力关系。对于旋拧螺钉任务采用定向阻抗控制方法，可以较好的完成任务。对于可能出现的干扰情况设置了多空间恒力加载仿真和刚性物体碰撞仿真。多空间恒力干扰仿真实验证明了多空间阻抗控制策略的有效性，碰撞实验验证了在轨维修系统对于极端干扰情况下的鲁棒I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性，可以保证双臂机器人的安全性。关键词：双臂机器人；在轨维修操作；位置控制；阻抗控制II哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWit

7、hthedevelopmentofhumansocietyandadvancesintechnoligy,spaceactivitiesareincreasinglyfrequentandhaveaprofoundimpactonhumandevelopment.Frommilitaryinstallationstocivilsatellites,thenumberofaircraftinspaceonthesurfaceoftheEarthh