七自由度冗余空间机械臂多目标轨迹规划研究

发布时间：2022-12-17 11:06

　　空间机械臂系统作为空间站的一个重要子系统,在人类探索太空的进程中发挥着重要的作用。本课题以冗余自由度的空间机械臂为研究对象,在运动学和动力学分析的基础上,对其进行多目标轨迹规划研究和任务规划研究:首先,对冗余自由度的空间机械臂进行运动学和动力学分析。采用改进的DH方法建立空间机械臂的运动学模型,利用矢量积方法计算机械臂的雅可比矩阵。采用阻尼最小二乘法求解冗余自由度机械臂的逆运动学,结合梯度投影法,可以发挥冗余自由度机械臂在性能指标优化方面的优势。采用改进的Newton-Euler方法求解机械臂的逆动力学。应用基于动力学模型一般方程的方法计算机械臂正动力学,其计算过程主要分为求取关节角加速度和数值积分两大步骤。冗余自由度空间机械臂的运动学仿真和动力学仿真分别通过在Matlab软件中搭建Simulink模型和Sim Mechanics模型实现。然后,对空间机械臂进行多目标轨迹规划研究。采用三次均匀B样条曲线构造速度和加速度都连续的空间机械臂关节轨迹。分别以机械臂的运动时间最短、能量消耗最少、轨迹冲击最小作为三个相互独立的优化目标,以机械臂的关节位移、速度、加速度和关节力矩的限制作为约束条件... 

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题的研究背景和研究意义
    1.2 空间机械臂的发展和应用综述
    1.3 冗余机械臂建模方法概述
        1.3.1 冗余机械臂运动学建模方法概述
        1.3.2 冗余机械臂动力学建模方法概述
    1.4 机械臂多目标轨迹规划研究现状
    1.5 空间机械臂任务规划研究现状
    1.6 课题来源和本文的主要研究内容
第2章 冗余自由度机械臂运动学和动力学研究
    2.1 引言
    2.2 冗余自由度机械臂运动学分析
        2.2.1 运动学建模与正运动学分析
        2.2.2 基于奇异鲁棒性逆的逆运动学分析
    2.3 冗余自由度机械臂动力学分析
        2.3.1 动力学建模与逆动力学分析
        2.3.2 基于动力学一般方程的正动力学分析
    2.4 算法验证与仿真
        2.4.1 基于Simulink的逆运动学仿真
        2.4.2 基于SimMechanics的正动力学仿真
    2.5 本章小结
第3章 空间机械臂多目标轨迹规划研究
    3.1 引言
    3.2 基于B样条曲线的关节空间轨迹构造
        3.2.1 B样条曲线理论基础
        3.2.2 三次均匀B样条曲线的构造
    3.3 多目标轨迹规划问题的数学模型
        3.3.1 目标函数
        3.3.2 约束条件
    3.4 基于遗传算法的多目标优化问题求解
        3.4.1 遗传算法的基本原理
        3.4.2 遗传算法的实现步骤和关键参数
    3.5 算法验证与仿真
        3.5.1 优化问题的描述
        3.5.2 遗传算法的设计
        3.5.3 优化结果及分析
    3.6 本章小结
第4章 空间机械臂任务规划研究
    4.1 引言
    4.2 空间机械臂的在轨任务模型
    4.3 空间机械臂综合目标优化
        4.3.1 Pareto最优解集的定义
        4.3.2 基于NSGA-Ⅱ的Pareto最优解集求解
    4.4 算法验证与仿真
        4.4.1 优化问题的描述
        4.4.2 NSGA-Ⅱ算法的设计
        4.4.3 多目标综合优化结果及分析
    4.5 本章小结
第5章 实验研究
    5.1 引言
    5.2 实验平台介绍
    5.3 任务空间轨迹规划实验
        5.3.1 基于反馈策略的阻尼最小二乘法
        5.3.2 任务空间直线轨迹规划实验
        5.3.3 任务空间圆弧轨迹规划实验
    5.4 空间机械臂多目标轨迹规划实验
    5.5 空间机械臂任务规划实验
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于五次NURBS的机械臂时间-能量-平滑性多目标轨迹优化[J]. 施祥玲,方红根,郭为忠.  机械设计与研究. 2017(01)
[2]空间机械臂技术发展综述[J]. 刘宏,蒋再男,刘业超.  载人航天. 2015(05)
[3]基于微分进化算法的平面度误差评定[J]. 王东霞,温秀兰,汪凤林.  组合机床与自动化加工技术. 2013(12)
[4]基于INSGA-Ⅱ算法的机械手多目标轨迹规划[J]. 王会方,朱世强,吴文祥.  浙江大学学报(工学版). 2012(04)
[5]一种仿人机械臂的运动学逆解的几何求解方法[J]. 陈鹏,刘璐,余飞,李洪谊,阳方平,王雪竹.  机器人. 2012(02)
[6]工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划[J]. 徐海黎,解祥荣,庄健,王孙安.  机械工程学报. 2010(09)
[7]基于状态空间的机械臂轨迹规划[J]. 谢文龙,苏剑波.  控制与决策. 2009(01)
[8]空间机器人的任务规划和路径规划[J]. 樊滨温,潘少静,张炯,吕伟新,王忠立.  电气自动化. 1999(06)
[9]日本实验舱的进展[J]. 范剑峰.  中国航天. 1994(09)

博士论文
[1]基于李群李代数的统一开闭环机械多体系统递推动力学研究[D]. 邵兵.南京航空航天大学 2010

硕士论文
[1]七自由度机械臂动力学建模与轨迹规划研究[D]. 宋少华.哈尔滨工业大学 2015
[2]空间七自由度冗余机械臂动力学建模与控制研究[D]. 周诚.哈尔滨工业大学 2014
[3]考虑动力学特性的空间机械臂轨迹优化研究[D]. 司洋.北京邮电大学 2014
[4]六自由度串联机器人轨迹规划时间最优研究[D]. 牛永康.长春工业大学 2013
[5]可重构机械臂普适性运动学建模及任务规划方法研究[D]. 吴楚锋.北京邮电大学 2013
[6]六自由度工业机器人轨迹规划算法研究[D]. 万传恒.华南理工大学 2012



本文编号：3719819