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随着航天科学技术的发展,人们对太空的探索日益增多。空间在轨服务的出现加快了探索太空的步伐,空间机械臂是完成在轨服务的一个重要部分。它可以单独或协助宇航员进行作业,提高空间探索开发的效率,降低空间作业的经济成本。在复杂恶劣的空间环境中,冗余空间机械臂在完成在轨服务方面具有效率高的优势。因此,研究冗余空间机械臂的理论技术对于航天事业的发展有着重要意义。本文围绕冗余空间机械臂的运动规划方法展开分析和研究,旨在为空间机械臂的有关技术问题提供求解思路与方法,具体研究内容包括以下4个方面:(1)为了满足空间在轨服务的需求,设计一款具有黄金分割比例的7自由度类人机械臂。利用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法描述此机械臂的关节坐标系,建立运动学模型。通过变换矩阵的方法求解出正运动学方程,采用蒙特卡洛法进行工作空间的分析,仿真结果表明本文模型建立方法的合理性。(2)以降低空间在轨服务的经济成本为目的,针对漂浮基冗余空间机械臂的扰动最小轨迹规划问题,提出基于混合寄生粒子群算法的轨迹规划方法。利用正运动学方程与广义雅克比矩阵推导出数学方程;通过对关节角的参数化和基座姿态的欧拉参数表达,描述姿态扰动最小的目标函数;基于混合寄生粒子群算法优化求解。与基于粒子群和线性递减权重粒子群算法的轨迹规划方法进行比较,仿真实验结果表明本文提出的方法可以更好地求解漂浮基冗余空间机械臂的扰动最小轨迹规划问题,具有精度高的优势。(3)从空间在轨服务的安全性角度出发,研究冗余空间机械臂的避障路径规划方法,提出基于共生多种群粒子群算法的避障路径规划方法。首先,采用包络法对障碍物和臂杆进行模型简化,分析避免两者发生碰撞的条件;然后,建立避免碰撞的适应度函数;最后,基于共生多种群粒子群算法进行避障路径规划。通过仿真实验比较分析,结果表明本文提出的方法在求解冗余空间机械臂避障路径规划问题方面更加有效,鲁棒性强。(4)考虑空间在轨服务的经济性和安全性,对冗余空间机械臂的多目标运动规划问题展开分析,提出塔形分割——混沌优化的多目标运动规划方法。利用物理规划方法结合线性加权法建立多目标运动规划函数;然后,通过塔形分割——混沌优化的多目标运动规划方法进行分层求解;最后,基于改进混沌粒子群算法搜索出无碰撞路径集,再基于此算法求解出最优路径。通过仿真实验与其他方法比较分析,结果表明本文提出的方法在求解冗余空间机械臂多目标运动规划问题方面具有速度快且精度较高的优势。