空間機器人三維空間目標捕獲的地面物理驗證系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著空間技術的飛速發(fā)展,特別是空間站、航天飛機、空間機器人的誕生以及成功應用,人類對太空探索的活動越來越頻繁?？臻g機器人作為一種在軌服務的有效工具,對太空技術的發(fā)展有不可磨滅的意義。而目標捕獲是空間機器人完成空間任務的關鍵環(huán)節(jié),逐漸成為空間機器人領域的研究熱點?？臻g機器人目標捕獲的地面驗證也就成為整個空間機器人系統(tǒng)研究任務中的重要內容。
　　首先,本文探討了空間機器人多剛體系統(tǒng)運動學和動力學建模的研究現(xiàn)狀,簡述了各種方法的優(yōu)缺點,

2、并針對本文所研究的自由漂浮空間機器人,建立了拓撲構型、坐標系統(tǒng)和矢量關系。之后,對空間機器人系統(tǒng)進行了運動學建模。最后,基于速度變分原理,并結合其運動學方程,給出了空間機器人多剛體系統(tǒng)虛功率形式的動力學普遍方程。
　　然后,回顧了空間機器人目標捕獲地面驗證系統(tǒng)的傳統(tǒng)方案,詳述了他們的優(yōu)缺點。結合本課題所研究的空間機器人系統(tǒng),本文采用了一種基于運動學等效和動力學模擬的半物理仿真方案。利用兩臺工業(yè)機器人分別模擬空間機器人末端手抓和自由

3、漂浮目標,結合動力學模擬算法、運動學等效算法和三維顯示模塊等數(shù)學模型和空間機器人手眼相機、空間目標等物理模型,搭建了一套空間機器人三維空間目標捕獲的地面物理驗證系統(tǒng)。
　　之后,對本實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)原理和數(shù)學模型進行了仿真驗證。首先,利用Matlab機器人工具箱對工業(yè)機器人的運動學算法進行了仿真驗證,利用Matlab中的Simmechanics模塊對工業(yè)機器人的工作空間進行了求解和分析。然后,在Simmechanics環(huán)境下,建立了

4、兩種空間機器人動力學仿真模式,分別對空間機器人的動力學模擬算法和關節(jié)電模擬器算法進行了驗證。最后,建立了實驗系統(tǒng)的ADAMS模型,并聯(lián)合Matlab控制模塊對實驗系統(tǒng)進行了動力學仿真,驗證了實驗系統(tǒng)實現(xiàn)原理的正確性和數(shù)學模型的仿真度。
　　最后,利用本文所建實驗系統(tǒng),對空間機器人三維目標捕獲任務進行了專項地面驗證實驗,包括對空間三維移動目標和空間自旋目標的捕獲等。系統(tǒng)驗證了空間機器人對三維目標的捕獲能力、捕獲周期和抓捕極限,同時驗