论文摘要
自由飞行空间机器人由基座(航天器)和搭载于基座上的机械臂组成,可以辅助或者代替宇航员进行空间舱内和舱外任务,如卫星的释放、捕捉与维修,大量的空间加工,空间生产,空间装配,空间科学实验和空间维修等需要获取目标的工作,这就对空间机器人的机械臂控制和基座的位姿调整提出了很高的要求。本文以自由飞行空间机器人目标获取任务为背景,研究了空间机器人机械臂的遥操作双边控制和基座位姿调整控制问题,在模糊逻辑的统一框架下设计了机械臂模糊双边控制器和位姿调整模糊PD控制器,并在此基础上提出了基于分布估计算法的模糊控制器参数优化的设计方法,经过了MATLAB仿真和实验系统测试,验证了此方法在机械臂控制效果上具有良好的表现。此外,本文还研制了自由飞行空间机器人地面仿真实验系统。(1)首先综述了空间机器人地面模拟实验系统的研究背景和国内外的研究现状,比较了各国基于不同设计原理的地面模拟实验平台的优缺点,又根据本文面向目标获取实验的任务特点,最后选用了气浮式实验系统作为空间机器人的研究平台。(2)针对空间机器人机械臂控制的遥操作理论进行了分析,比较了预测控制、遥编程控制和双边控制3种控制策略的利弊。为了能达到良好的稳定性和跟踪性,本文设计了遥操作模糊双边控制器,针对模糊系统中隶属函数难以确定的问题,本文提出了一种基于分布估计算法参数优化建立隶属函数的方法,从而完成了遥操作模糊双边控制器的设计,且实验结果表明此方法是可行的、有效的。(3)阐述了自由飞行空间机器人基座位姿调整的基本思想,由于机器人工作在微重力的太空环境中,基座的漂浮运动是复杂且难以分析的,这对于自由飞行空间机器人的空间作业也造成了不可忽视的困难。本文设计了自由飞行空间机器人位姿调整的模糊PD算法,根据接收到的实时位置信息,空间机器人可以自主地调整基座的姿态和位置来校正位姿误差,保证目标的稳定获取。然后利用开发的实验平台与传统的on/off式控制器进行了实验对比,验证了此方法在稳定性、控制精度和燃料消耗上都有较好的表现。(4)阐述了所开发的空间机器人地面实验系统的设计准则和模块化设计的总体方案,详细描述了实验系统的硬件结构、子系统的组成和性能特点,包括PC104控制子系统、机械臂控制子系统、机械爪控制子系统、能源子系统以及平台等其它附属设备。(5)分析研究了空间机器人目标获取任务的整体算法设计,主要包括有机械臂的电机运动控制、基座的位姿调整算法、机械爪的开合控制和数据的无线传输等,并对主要程序和相关软件环境进行了说明。最后,对已开展的工作进行了总结,并就今后拟开展的工作进行了展望。