关键词： 伴随运动   1T2R并联机构   构型综合   运动学与动力学   多目标优化   柔顺控制  

摘要： 近年来,具有结构稳定、高承载自重比及高精度等性能优势的并联机构成为了机器人领域的研究热点,尤其是以一移动两转动(1T2R,T:translational DOF;R:rotational DOF)少自由度并联机构为主要执行器的高端智能装备在智能制造、医疗康复及航空航天等领域得到了广泛应用。然而,由于机构的旋转自由度和平移自由度往往存在强烈的耦合作用,1T2R并联机构普遍存在伴随运动,进而对机构的运动精度及运动控制等产生不利影响;另外,并联机构同时存在的奇异现象严重、有效工作空间小、动力学问题复杂及驱动协调性一般等不足也限制了其应用。为此,本文从无伴随运动特性出发,通过构型综合方法得到一类运动耦合性较低的1T2R无伴随运动并联机构;并在得到的165种新型机构中选取了一种含有冗余驱动且具备正运动学解析解的2RPU-RPS-UPS并联机构进行深入研究,主要包含了机构的运动学和动力学分析、奇异性分析、机构的性能分析与优化以及主动柔顺控制方法;在理论研究的基础上利用ADAMS及Matlab/Simulink等软件完成了虚拟样机的仿真验证,并搭建了2RPU-RPS-UPS并联机构的物理样机及其控制系统,研究结果为无伴随运动并联机构在实际场景中的应用奠定了基础。具体研究内容包括:(1)对并联机构产生伴随运动的机理进行分析,并通过构型综合得到165种新型1T2R无伴随运动并联机构。从伴随运动定义出发,分析了无伴随运动并联机构的转轴与动平台平面间的位置关系,研究了不同支链布局对伴随运动的影响;结合螺旋理论和空间几何理论提出了1T2R无伴随运动并联机构的构型准则以及结构条件,得到了60种S型和105种U型无伴随运动机构,并选取了两类机构中的典型机构进行验证。(2)分析了2RPU-RPS-UPS无伴随运动并联机构的运动学问题。基于闭环矢量法推导了机构的位置关系,证明该机构正运动学问题具有显式解,运动关系简洁,有利于机构的实时控制;利用速度雅克比方法对其进行奇异性分析,指出当位姿参数满足一定关系时机构存在一种正解奇异位形。在位置分析的基础上,通过求导法得到了机构动平台广义坐标与机构各构件速度和加速度的映射关系。(3)分析了2RPU-RPS-UPS并联机构的动力学求解结果不唯一的原因,提出一种对于同时存在主动过约束和被动过约束的并联机构动力学问题求解方法。基于螺旋理论分析了机构过约束的特性,引入驱动力最优分配原则和支链在过约束方向上的变形协调条件分别解决了由主动过约束和被动过约束引起的冗余变量;在此过程中,将动力学问题转化为优化问题,其中驱动力的最小二范数为目标函数,牛顿-欧拉动力学方程及变形协调条件为约束方程,最后在Matlab中求解该优化模型得到了机构关节内力和驱动力的唯一解,并在此基础上对机构关节摩擦效应和力传递特征进行了分析。另一方面,为得到简洁高效的动力学方程以应用于控制,基于虚功原理法推导了2RPU-RPS-UPS并联机构的动力学方程。最后,在ADAMS仿真分析中,通过设置力位混合驱动的方式对该并联机构的动力学理论求解结果进行了验证。(4)研究了2RPU-RPS-UPS并联机构的运动学性能、刚度性能和动态性能,并进行机构多目标优化设计。为避免机构运动空间内空洞的出现,通过在姿态空间中寻找最大内切圆的方法得到了机构的规则圆台工作空间;考虑了机构支链的驱动刚度和约束刚度,采用基于变形能的局部指标分析了机构的刚度性能;在机构的运动/力传递性分析中,研究了局部LTI指标与平动自由度的关系,指出机构的大多数可达工作空间都是优质传递工作空间;利用动态可操作度椭球指标对机器人的动力学性能进行了分析,考虑了机构尺度以及构件惯量对机构加速能力各向同性的综合影响。为改善机构的整体性能,以上述性能为目标,采用了基于NSGA-II的多目标优化算法对机构尺度进行了优化,并利用理想点法在得到的Pareto解中优选了设计参数。(5)对冗余驱动并联机构的主动柔顺控制方法进行了研究。结合2RPU-RPSUPS并联机构外部柔顺控制和机构内力协调控制的需求,提出了一种非冗余支链用于实现智能变阻抗控制和冗余支链实现机构内力协调控制的混合控制框架。在非冗余支链的变阻抗控制策略研究中,以导纳控制为基础,提出了基于自适应小波神经网络的控制方法,并根据李雅普诺夫定理推导了自适应控制律;为实现并联机构驱动内力的协调控制,对冗余支链进行了驱动力控制,设计了基于容积卡尔曼滤波器的观测器,实现了驱动电机的无位置传感器矢量控制。(6)利用仿真软件和样机实验对所提出的混合控制策略进行验证。在Simulink中建立了2RPU-RPS-UPS并联机构控制系统的仿真模型,结果显示基于小波神经网络的变阻抗控制方法在非结构环境下依然具有较好的接触力跟踪效果,且矢量控制方法下的电机驱动力控制能够保证支链内力良好

关键词： 末端负载辨识   负载质量与质心位置   力域雅可比矩阵   拖动示教   导纳控制  

摘要： 机器人末端负载的质量及质心位置获取与主动柔顺控制是机器人完成高精度任务和保证人机交互过程中环境与本体安全的基础。目前,随着机器人应用的多元化,机器人末端负载的质量及质心位置如何获取、如何保证通过拖动示教展现主动柔顺特性时系统的稳定性以及柔顺性,具有十分迫切的研究需求和深远的研究意义。针对以上问题论文从两方面进行研究,一方面,针对末端负载质量及质心位置获取问题,论文提出基于静态示教位姿的末端负载辨识方法。该方法对当前通过电流数据间接计算负载质量及质心位置的方法进行了补充。另一方面,针对拖动示教系统稳定性与安全性问题,论文在使用导纳控制算法实现拖动示教的基础上提出基于模糊模型参考学习的变导纳控制算法。经过实验表明,基于模糊模型参考学习的变导纳控制相比于导纳控制具有更好的稳定性、安全性和柔顺性。具体工作包括以下几部分:(1)根据艾利特EC66协作机器人的D-H参数表建立机器人模型,给出不同关节空间位置下的机器人姿态;建立机器人正运动学模型,求取末端执行器在基坐标系下位姿矩阵,利用位姿矩阵进行逆运动学方程解的推导,通过MATLAB验证正运动学模型以及逆运动学方程解;推导机器人速度雅克比矩阵与力域雅可比矩阵。(2)以力域雅可比矩阵为基础,提出基于静态示教位姿的末端负载辨识方法,利用MATLAB建立负载质量、质心位置与关节力矩之间的模型。通过力域雅可比矩阵和已知负载的相关信息,标定关节力矩与电流之间的计算模型,进而计算负载的质量及质心位置。(3)以ROKAE XB7工业机器人为被控对象在MATLAB/SIMULINK上搭建导纳控制器实现机器人拖动示教的仿真模型,通过仿真数据研究导纳控制器中各控制参数在拖动示教实现中的作用以及控制规律。(4)在导纳控制实现机器人拖动示教的基础上,提出基于模糊模型参考学习的变导纳控制。利用ROKAE XB7工业机器人、On Robot HEX-E v2六维力传感器搭建实验平台,设计离线训练实验以及对照实验,从位置和速度两个方面对比分析控制方法的有效性。实验证明基于模糊模型参考学习的变导纳控制相比于导纳控制在拖动示教过程中具有更好的安全性、柔顺性以及稳定性。

关键词： 复合驱动并联机构   动力学建模   参数辨识   自适应阻抗控制  

摘要： 为了提高当前飞机维修领域中复合材料蒙皮的打磨效率,课题组提出了一种带有复合驱动支链的五自由度并联机构,期望代替人工进行打磨工作。为了避免在打磨过程中因接触力过大而损坏蒙皮和机构,本文对该并联机构在接触力方向的柔顺控制开展了深入研究,主要内容有:建立了机构的刚体动力学模型。首先,本文对机构进行了适当简化,忽略轴承、螺栓等零件,对其中的杆件、滑块以及动平台进行了运动学分析,得到这些构件质心处的位移、速度。然后,采用拉格朗日法构建了刚体动力学模型。最终,在MATLAB软件中建立了机构的理论模型,在ADAMS软件中构建了机构的仿真模型,通过对比理论与仿真结果,验证了模型的准确性。对机构进行了动力学参数辨识方法研究。通过分析机构的运动情况,筛选机构中部分参数组成参数集进行仿真辨识研究。按照机构的自由度方向和工作空间分布规划合适的激励轨迹,在ADAMS软件建立的模型中提取多个采样点处驱动力矩的仿真值,并在MATLAB软件中基于动力学理论模型得到驱动力矩的计算值。通过力矩计算值与仿真值的误差建立适应度函数,采用粒子群算法搜索采样点处具有最优适应度的参数集。定义力矩偏差度作为判断辨识精确度的标准,证明了参数辨识方法的可行性与准确性。为将来研究动力学相关问题或者先进控制理论等奠定基础。针对蒙皮打磨工作对柔顺接触力的需求,对自适应阻抗控制进行了研究。首先,针对传统阻抗控制在复杂环境变化下的不足之处,利用自适应算法对控制系统性能进行了改进,得到自适应阻抗控制方法。然后,基于劳斯判据与稳态误差对该方法进行了稳定性证明以及稳态跟踪精度分析。针对系统无法兼顾稳态精度与超调抑制的问题,提出切换更新率进行算法改进。最后利用SIMULINK软件进行仿真实验,验证本文提出的基于切换更新率的自适应阻抗控制的有效性。

关键词： 液压四足机器人   鲁棒控制   主动柔顺控制   对角步态   运动控制  

摘要： 液压四足机器人具有代替人类完成物资运输、抢险救援、甚至军事打击的潜力,因此得到了各国科研机构的重视。目前国内外已经研制出多款液压四足机器人,尤其是美国波士顿动力公司的Big Dog、LS3等机器人,他们出色的运动性能、极强的抗干扰能力让世人惊叹。遗憾的是,波士顿动力公司并没有公开与机器人设计以及控制相关的方法,但这更加激发了其它机构探索设计高性能液压四足机器人的热情。 本文以实现机器人在平坦地面的快速Flying trot奔跑、在非结构化地面的稳定Trot行走以及具备足够的负重能力与抗干扰冲击能力为目标,按照从底层作动器控制到单腿柔顺控制再到四足机器人整机运动控制的研究思路,主要研究了以下几个方面内容: 针对四足机器人作动器工况复杂多变、非线性强,传统极点配置控制器难以满足性能和鲁棒性的问题,提出了状态反馈H∞和积分滑模控制（Integral Sliding Mode Control,ISMC）的复合控制算法;通过对阀控缸系统进行建模,得到其状态方程,分析了系统的参数不确定性、非线性特性以及外源干扰,并将这些因素归结为系统的匹配与不匹配不确定性。针对匹配不确定性,提出了积分滑模控制ISMC算法,针对不匹配不确定性,设计了状态反馈H∞控制律。搭建了单腿实验台,并进行了单腿驱动控制实验,实验结果表明,所设计的控制算法使作动器的鲁棒性显著增强,降低了输出跟踪误差。 提出通过结构优化提升等效液压弹簧刚度（Equivalent Hydraulic Spring Stiffness,EHSS）,并考虑内环带宽的有限性建立了虚拟阻抗参数取值的确定方案,改善了主动柔顺控制的效果。以基于位置的阻抗控制作为实现机器人主动柔顺的方法,对阻抗控制框架的闭环特性进行分析,确定了内环双缸耦合系统的响应特性是影响阻抗控制效果的关键因素;建立了双缸耦合系统的状态空间模型,分析了系统的零极点分布,确定等效液压弹簧刚度（Equivalent Hydraulic Spring Stiffness,EHSS）是影响系统低频极点位置的关键变量,并以提高EHSS为目标对结构进行了优化。考虑内环带宽的有限性对阻抗控制框架的稳定性进行分析,基于稳定性提出虚拟阻抗参数的确定方法,并分析了虚拟阻尼对冲击力缓冲效果的影响。实验表明,所设计的主动柔顺控制框架显著降低了足端接触地面后所受的冲击力并保证了足地接触的稳定性。 提出了考虑液压系统恒压力供油特性的四足机器人能耗计算方法,通过优化得到不同前进速度对应的最小能耗步态参数。设计了参数化的步态生成器,建立了占空比等于50%的Trot步态与占空比小于50%的Flying trot步态的足端轨迹参数化模型。根据逆运动学与逆动力学所得到的机器人运动过程中的流量与压力,建立了采用恒压力供油的四足机器人能耗计算框架;采用单位距离能耗作为机器人能耗的评价标准,提出以单位距离能耗最小为目标对步态参数进行优化,得到了不同前进速度对应的最小能耗步态参数,并对腿处于不同相位的能耗大小以及摆动相的能耗分配进行分析。 建立了四足机器人对角步态鲁棒运动控制框架。为实现机器人在平坦地面的Flying trot高速稳定奔跑,将单腿阻抗控制方法拓展到整机,研究了腿处于不同相位的虚拟阻抗参数设计方法;为提高建模效率,采用基于李群的旋量递推法建立了四足机器人整机动力学方程,进而通过QR分解法得到了足端接触力的解析表达式,这为阻抗控制提供了准确的参考力。提出姿态闭环控制策略与地面坡度估计方法,增强了机器人对非结构化地面的适应能力。冲量被用来量化机器人所受的侧向干扰冲击,把捕获点（Capture Point,CP）视作影响机体稳定的关键变量,提出基于模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）的方法来增强机器人抵抗侧向干扰冲击的能力。为进一步验证对角步态运动控制的理论研究与仿真分析结果,搭建了液压四足机器人室内实验场地,设计了实验所用的液压泵站、跑步机、电控柜等设备。机器人整机运动控制实验则是从平坦地面高速奔跑、崎岖路面行走、爬坡、负重行走与抗干扰冲击五个方面开展,在实验中,机器人实现了在平坦地面最快2.2m/s的Flying trot的运动,可以以Trot步态通过泥土、沙子和石子铺设的路面,以Trot步态从平坦地面爬16°斜坡,最大负重165kg行走以及可以抵抗冲量175kg·m/s的侧向干扰冲击。各项实验结果表明了本文理论研究、相关控制算法的有效性,为液压四足机器人的运动控制提供了理论基础与实践经验。

关键词： 空间七自由度机械臂   动力学建模   平台扰动优化   阻抗控制   数值仿真  

摘要： 空间七自由度机械臂因其具备更优的性能在太空探索中被广泛应用,但冗余的自由度也使得机械臂系统更加复杂,动力学建模和控制也变得更加困难。本文针对空间七自由度机械臂抓捕任务,研究了动力学建模、机械臂末端运动至抓捕点过程中基座扰动的优化及运动至抓捕点与被抓捕物体接触时的柔顺控制等问题。主要内容如下: 针对空间七自由度机械臂动力学建模复杂、难以实时解算的困难,本文基于铰接体惯量的方法建立了基座固定和基座自由漂浮空间机械臂的正、逆动力学模型。为了实时解算机械臂的运动情况,推导了基于铰接体惯量法的正向动力学方程,实现了高效率计算;为了实现机械臂系统的实时控制,采用空间矢量描述牛顿-欧拉方程,建立了高效递推的逆动力学模型。结合角动量守恒定理及混合动力学理论建立了自由漂浮基座机械臂的动力学模型。并利用Sim Mechanics分别建立机械臂物理模型及仿真系统,证明上述动力学算法的正确性。 为了减小机械臂运动过程中对基座的扰动,研究了平台扰动优化的运动规划方法。考虑反作用飞轮对基座姿态的控制能力有限,本文提出以角动量增量作为目标函数,采用遗传算法优化机械臂运动轨迹,有效降低了机械臂运动对基座产生的角动量增量,确保其不超出飞轮控制极限。对于自由漂浮机械臂,推导了其平台零扰的解析解,为零扰路径规划提供了理论支撑。 为了确保机械臂末端在与被抓捕物体发生接触时实现对期望接触力的跟踪控制,研究了基于位置的六维阻抗控制系统。并针对空间环境复杂,环境刚度未知或随时间变化等情况,提出利用模糊控制对阻抗参数进行在线调整,提高了阻抗控制系统的鲁棒性,实现了自适应阻抗控制。仿真结果表明,本文提出的模糊阻抗控制在环境刚度随时间变化时能够实现良好的期望接触力跟踪效果。

关键词： 月面机器人   遥操作   力觉临场感   柔顺控制  

摘要： 近年来国内外的太空探索活动愈加频繁,登月探索活动则是目前人类深空探测中的重要活动。而在月面作业任务中,如月表采样、维修、搬运等任务时,机器人无可避免的会与环境之间产生作用力,同时由于地月之间的长时延的影响,遥操作任务的难度会大大提高。本文以在月面复杂作业任务遥操作中使用力觉反馈减小时延影响为目标,开展月面作业任务中的力觉临场感技术及遥操作技术研究,搭建月面作业任务场景,同时使用手控器获取力觉反馈,以提高操作者的临场感和沉浸感,更高效的完成月面作业任务。本文的主要研究内容如下:首先,建立力觉遥操作系统框架并完成遥操作场景设计。将遥操作技术与力觉临场感技术相结合,设计遥操作作业任务场景,建立了力觉遥操作系统框架,并基于TCP协议建立系统的通信链路,完成多设备之间力觉与视觉信息的传递。其次,在虚拟环境中建立力觉模型以及循环神经网络模型,并通过力觉临场感技术获取力觉反馈。对常见的碰撞力、接触力、摩擦力建立力觉模型,获得作业任务时的虚拟力,也基于循环神经网络模型,对接触力进行预测,并将从两种模型获得的力进行对比。同时结合装配场景进行了力觉建模,通过力反馈设备对获取的虚拟力进行表达,得到力觉反馈。然后,对月面作业机器人添加了基于导纳控制的局部自主运动。建立导纳控制模型,选取转运机械臂作为导纳控制对象,基于循环神经网络的预测力数据,完成机械臂局部自主运动仿真,实现机械臂局部自主运动。最后,搭建力觉临场感遥操作系统,并完成月面搬运、装配任务仿真。基于Unity和Ar Uco开源库,在增强现实环境中建立了月面作业场景,验证了力觉临场感遥操作系统的可行性。

关键词： 曲面加工   研抛工具   柔顺控制   PID  

摘要： 研抛是许多有表面高精度加工要求零件的最终制造工艺,其过程耗时、繁琐,目前大多由人工完成。随着制造业向着自动化、智能化方向快速发展,研抛工艺也逐渐由原来的人工向着机器自动化方向发展。研抛自动化的实现主要是通过设计研抛工具,使其能够与数控机床或机械臂等结合进行相应的作业。研抛过程中接触力的控制是影响研抛效果的重要因素之一,因此在研抛过程中需要对研抛接触力进行感知并对研抛接触力进行主动柔顺控制,以提高研抛质量。文中设计了可以实现研抛接触力主动柔顺控制的研抛工具,使其可以安装在工业机器人的机械臂上进行研抛作业。通过研抛工具上的力传感器感知研抛接触力的大小,使用PID控制算法调整电机的转动,进而使研抛接触力的大小保持恒定,实现研抛接触力的主动柔顺控制。主要研究内容为研抛工具的机械结构设计、硬件电路设计、相关元器件的选型、柔顺控制算法的研究及其程序实现。机械结构设计方面,直线步进电机转动带动滚珠丝杠产生直线位移,从而推动线性弹簧产生研抛压力,通过两个轴线方向垂直的无刷电机构成了两个方向的旋转副,用于调整研抛工具上磨削头的角度位置,实现自由曲面曲率变化的适应。为提高研抛工具的机电一体化程度,降低成本,使其更加模块化,设计了研抛工具控制板,包括电源管理电路、RS485和RS232接口电路、主控器电路的原理图设计和PCB设计。文中对研抛工具的力控制部分进行了数学建模,通过MATLAB计算了力控制闭环系统的稳定性。计算结果表明系统是稳定的,但系统达到稳定的时间较长,无法满足使用需求,因此文中使用PID控制器校正系统。通过simulink中的PID Tuner模块计算出了最优的PID参数,使得力控制闭环系统可以快速响应并具有较好的鲁棒性。由于无刷电机内部集成了FOC驱动和串级PID控制器,文中使用实验试凑法根据实验结果调试出了两个无刷电机的最优PID参数。在研抛工具的微控制器中实现了上位机命令的接收与解析、无刷电机控制、步进电机控制以及PID控制器程序。最后将设计的研抛工具安装在工业机器人上,对典型的正弦型曲面和椭球曲面进行了曲面跟踪柔顺控制实验。实验结果表明,研抛工具可以接收并解析来自上位机的命令,通过PID控制器,快速稳定地实现曲面加工过程中对研抛接触力的主动柔顺控制和对曲面曲率的适应。

关键词： 机器人轴孔装配   柔顺控制   强化学习   装配孔检测   模糊奖励  

摘要： 机器人在制造业中扮演着举足轻重的作用,被大量用于产品制造的装配环节。然而,工业生产现场环境复杂,装配对象多变,如何高效地完成在非结构化环境下的装配任务仍是研究难点。本文围绕非结构化环境下的机器人轴孔装配展开研究,设计一套机器人轴孔装配系统,实现从空间寻孔到插孔整个装配流程,并提出融入模糊奖励机制的深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)变参数导纳控制算法,有效地提升插孔阶段的装配效率与复杂状态的泛化能力。本文主要工作如下:建立机器人轴孔装配机理模型,为装配过程中机器人的位置与柔顺控制提供理论依据。通过机器人运动学建模与仿真验证,建立UR10执行器关节角与笛卡尔空间的映射模型。完成插孔阶段力学建模和仿真分析,根据仿真结果制定柔顺装配策略。提出基于装配孔参数辨识的寻孔算法,解决装配孔的空间精定位和高效搜孔问题。设计基于多目标检测的椭圆参数辨识算法,实现对多个装配孔的参数辨识,实验表明所提算法在不同拍摄角度和光照变化下均具有较好的泛化能力。通过相机标定和手眼标定,建立像素平面和UR10执行器间的映射模型。引入螺旋搜孔策略,解决视觉系统在较大定位误差情况下难以搜到孔的问题,提升寻孔算法对复杂工业环境的适应力。提出融入模糊奖励机制的DDPG变参数导纳控制算法,实现机器人柔顺轴孔装配操作,提高插孔阶段的装配速度和成功率。采用DDPG算法对接触力信息和机器人位置信息进行特征提取与融合,实现导纳控制器参数在线辨识。设计融入模糊机制的奖励系统,构建更为全面的强化学习动作评价体系,避免精确、复杂地数学建模,进一步提高DDPG训练效率。对力传感器进行重力补偿,赋予柔顺控制算法在装配中精确的力感知能力,提高装配质量。搭建机器人轴孔装配实验平台,设计实验对融入模糊奖励机制的DDPG变参数导纳控制算法装配效果进行评估。实验表明所提算法在不同孔径的装配任务具有高成功率、速度快、泛化能力强的优点,能有效地减少插孔所需步数,提高装配效率,同时对于不同轴孔位姿误差具有一定的泛化能力。

关键词： 装配机器人   柔顺控制   技能学习与优化   装配变阻抗策略  

摘要： 机器人柔顺装配技术不仅可以提高生产效率,而且可以提高工业产品的质量。然而不确定性的非结构化环境对机器人的感知、控制和任务规划功能提出了更高的要求。传统机器人缺少准确灵敏的力反馈,无法获取装配接触状态多传感描述;传统的位置控制难以保证机器人与各种环境进行稳定灵活的柔顺接触;此外,现有的阻抗规划方法不适用扰动未知的工业环境。因此,面向机器人轴孔柔顺作业需求,深入分析装配接触分阶段力学特性,对装配接触力辨识、机器人变刚度装配技能学习还有机器人装配技能优化等内容展开重点研究,轴孔装配接触机理复杂、装配接触柔性差和机器人技能学习的效率不高等问题得到有效解决,并在构建的机器人柔顺装配平台上开展算法验证,取得了良好的柔顺效果。主要研究内容和创新点如下:1)面向机器人轴孔装配操作的环境感知需求,搭设基于六维力传感器的力感知系统,并分析影响机器人末端接触力感知的因素,提出一种基于多参数耦合装配接触力辨识模型;构建基于KUKA机器人的装配系统的物理验证平台,并在平台验证所提出的力辨识模型的精度,最小误差仅为2.89%,与仅补偿重力的方法相比,提高接触力的测量精度,实现准确的接触操作力反馈。2)机器人轴孔装配操作是受几何特性约束和工作空间约束的离散接触状态的连续化过程。根据装配工艺流程,详细分析轴孔装配的几何约束和工作空间约束;根据装配工序中的装配交互特性,将装配流程细分4个阶段,深入研究每个阶段的装配力学特征,构建集环境、几何等约束下的装配操作力学模型。设计基于ADAMS和Simulink的联合仿真实验,验证轴孔装配分阶接触分析的准确性。3)为了克服非结构化装配环境中的复杂力交互和高度不确定性,提出一种基于DQN的机器人变阻抗轴孔装配策略。在系统控制结构上,实现对变阻抗调整动作的生成,装配策略由深度强化学习生成,实现对复杂变阻抗技能的获取。相对于现有的基于位置的装配策略,变阻抗规划方法在轴孔装配操作中展示出更好的环境适应性。4)机器人装配技能优化本质上是基于数据驱动的,从而建立从装配状态和调整动作的非线性映射,需要耗费大量的模型训练数据和时间,导致学习效率低。针对此问题,提出融合过程先验知识的轴孔装配方法。对基于轴孔装配过程分析的先验知识的描述方法展开研究,结合装配过程分阶接触分析,对DQN的先验知识进行表达,提升策略网络对探索动作的针对性,减少装配技能学习过程中的无效探索。提出基于过程先验知识的DQN网络装配方法,学习效率比DQN算法提高38.4%,装配性能得到有效改善。

关键词： 在轨服务   空间机器人   非合作目标   抓捕策略   目标优化函数设计   消旋控制  

摘要： 在轨服务是目前空间领域的研究热点与发展趋势,主要包括在轨维护、燃料补给以及空间垃圾清理等空间任务。然而,由航天员执行任务的安全性低、成本高且难度大,对比之下多臂空间机器人具有机动性高、可操作性强、成本低等优点,其在轨服务的必要性和优越性日益突出。空间目标抓捕是在轨服务任务的前提和关键技术之一,因此,本论文以非合作目标在轨服务为背景,重点研究多臂空间机器人的柔顺抓捕非合作目标相关技术。 首先,针对多臂空间机器人抓捕模型推导复杂、计算效率低下的问题,研究基于轴不变量的运动学和动力学建模方法,并与拉格朗日法建立的模型对比验证。结合等效弹簧阻尼和非线性阻尼连续接触碰撞模型,建立四臂空间机器人的接触碰撞模型,直观地描述抓捕失控航天器的碰撞力、控制力矩以及机械臂关节姿态之间的关系。基于运动链符号演算系统的建模方法能够避免繁琐的推导过程,计算速度提升,有利于实时分析空间机器人的抓捕响应与抓捕控制。 其次,针对四臂空间机器人抓捕非合作目标需求,设计非合作航天器柔顺抓捕策略。由于静态抓捕非合作目标可对空间机器人的基座造成极大扰动及损伤机械臂关节,使得空间任务无法正常进行,因此设计动态抓捕策略。将动态抓捕任务分为接触前、接触时和接触后三个阶段,根据空间机器人抓捕不同状态非合作航天器造成的影响以及机械臂所能承受的极限,分别设计接触前的机械臂优化、接触时机械臂运动状态和非合作目标的相对运动状态以及接触后的消旋稳定,提高了抓捕的柔顺性与稳定性。 最后,为减少接触时对空间机器人的冲击影响,设计碰撞冲击优化目标函数,并引入机械臂关节限位因子,得到接触时机械臂的最佳运动状态,极大地减少了与翻滚目标碰撞时的负面影响。此外,设计自反馈消旋稳定控制方法,旨在利用多余的机械臂自运动消除服务航天器与非合作目标组成的组合体的旋转状态,最终使组合体达到稳定状态,通过数学仿真证明上述方法的可行性,从而为后续在轨服务奠定基础。