空间机器人目标捕获的零扰动方向分析

2012年02月08日13:48:27 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

关键字：航天

税海涛，彭胜军，杨　庆，马宏绪

国防科技大学机电工程与自动化学院

装备指挥技术学院航天装备系

摘　　　要：空间机器人在执行捕获任务时目标与机械臂的碰撞给基座带来的姿态扰动是致命的。针对目标捕获时基座姿态扰动较小化问题，在建立了自由飘浮空间机器人捕获目标动力学模型的基础上，提出了自由飘浮状态下基座零扰动冲击方向的概念，给出了捕获过程中基座姿态无扰的条件是碰撞冲击力方向与基座零扰动冲击方向一致，并用角动量的分布与传递解释了零扰动冲击方向的物理含义在于机械臂将全部吸收碰撞所带来的附加角动量。较后以平面二连杆空间机器人为研究对象，利用Ｓｐａｃｅｄｙｎ工具箱进行仿真并验证所提出的零扰动规划方法可以有效降低基座姿态扰动。零扰动冲击方向的概念为空间机器人在执行目标捕获、交会对接等任务时选择合理的捕获点与合适的捕获构型提供了依据。

关　键　词：空间机器人，目标捕获，零扰动方向

１　引　言

随着空间科技的发展，人类的活动空间在不断地向太空扩展。然而恶劣的太空环境给宇航员的空间作业带来巨大的威胁，利用空间机器人进行捕获与维修作业已成为空间技术研究和热点。

空间机器人捕获目标过程中目标与机械臂末端的碰撞可能为本体带来附加的角动量，从而改变本体的姿态。

因此，捕获过程的动力学建模以及较小扰动等问题成为研究难点。Ｙｏｓｈｉｄａ等对空间机器人目标捕获进行了深入研究，建立了一个处理碰撞动力学的通用框架，提出了反作用力的零空间概念，以及偏移动量方法。Ｗｅｅ和Ｗａｌｋｅｒ采用一个位形的标量函数来解决较小冲击问题。丛佩超等人指出，以上方法均受到关节与飞轮调节能力的限制，他们提出了“直臂抓取” 的概念，推导了ｎ阶平面型空间机械臂碰撞前构型，有效地减小了碰撞力对系统角动量的影响。但是文献缺乏对三维空间机械臂构型的研究。

本文将更深入的研究三维空间构型机械臂的目标捕获问题。建立了自由飘浮空间机器人动力学模型，推导了目标捕获时基座零扰动的条件，并对提出的方法进行了仿真验证。

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