基于空间运动基座的机械臂轨迹规划方法研究

【摘要】伴随着人类对太空的不断探索，空间机器人技术应运而生，并得到了巨大发展。空间机器人在执行任务时，可能会出现变速运行状态，且此时的速度变化之差可能会很大，正是这一点体现了空间机器人在速度上的跨尺度运行特征。本文以跨尺度空间基座控制为背景，研究了空间机器人系统内部各个子系统之间在轨迹规划方面的协同优化问题以及在速度上的跨尺度现象，使各子系统实现跨尺度轨迹协同优化。具体研究内容如下：首先，根据机器人学的基础知识和空间机器人的特性，结合线动量和角动量守恒建立了在非完整约束下的自由漂浮空间机器人系统的运动学模型，根据拉格朗日函数建立了动力学模型。以平面两连杆空间机器人为例，分析空间机器人的非完整特性、干扰特性，并利用MATLAB进行仿真研究。给出了平面连杆式自由漂浮空间机器人的工作空间概念和计算方法。其次，研究了基于空间机械臂关节角耗能最小的轨迹协同优化问题，采用参数多项式对自由漂浮空间机器人的轨迹进行逼近。由于在关节空间中计算复杂，所以通过坐标变换将系统的动量守恒方程从关节空间转换到低维空间。根据机械臂关节角耗能最小原理，设置了目标函数，但是在使用遗传算法进行求解时，该算法出现了局部搜索能力差的现象。针对这一问题，设计了混沌遗传算法。在低维坐标系下利用系统初始点与目标点，结合混沌遗传算法对目标函数进行优化，从而确定了多项式系数，通过反变换得出关节空间内的轨迹函数。针对该模型设置了坐标变换中反三角函数的范围约束、末端执行器最大工作空间的约束、基座子系统姿态角范围约束来检验正确性。然后，针对速度跨尺度轨迹协同优化问题，采用两个移动范围差别较大的例子进行仿真研究，在满足检验条件的情况下，表明仅仅通过对空间机械臂子系统进行轨迹优化就同时完成了对基座和机械臂两个子系统的协同轨迹优化。在两个例子中，关节角都出现了相对于基座子系统和机械臂子系统移动范围的速度倍速改变现象，体现了轨迹规划中的速度跨尺度变化特征，并且在最后时刻两个子系统都平稳的完成了轨迹协同规划任务。最后，针对空间机械臂与空间基座之间的干扰特性和耦合特性，将机械臂子系统的跨尺度轨迹规划任务视为扰动变量，对空间机器人系统进行轨迹规划，使基座受到的扰动最小的同时机械臂完成轨迹规划。通过对自由漂浮空间机器人模型的分析，得出关节空间内基座的姿态角与机械臂各个关节角之间的函数关系。利用正弦函数对关节角进行参数化，建立以基座受到扰动最小为目标的函数关系式。针对遗传算法可以获得最优解的90%左右的特点以及早熟现象，设计了改进的自适应遗传算法进行寻优。仿真结果表明，得出在机械臂完成作业任务并且出现了速度上的跨尺度现象的同时基座的姿态变化最小。
【作者】王少坤；
【导师】高巍；
【作者基本信息】吉林大学，模式识别与智能系统，2014，硕士
【关键词】机械臂系统；基座系统；能量最优；轨迹协同优化；扰动最小；轨迹参数化；

【参考文献】
[1]潘可心.基于TAM的网络口碑与消费者购买意愿实证研究[D].哈尔滨工业大学,企业管理,2013,硕士.
[2]李茜.《燕赵都市报》雾霾报道研究[D].河北大学,新闻与传播,2014,硕士.
[3]邓杰锐.《禅心》中与宗教相关词语的翻译报告[D].广东外语外贸大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[4]杨玉翠.科学与人文之间[D].安徽师范大学,马克思主义哲学,2004,硕士.
[5]陈茂军,楼白杨,倪忠进,徐斌.Pt-Co/膨胀石墨的制备及其电催化性能[J].材料科学与工程学报,2014,02:211-214+237.
[6]程通.基于移动机器人的现实场景建模系统的设计与实现[D].东北大学,模式识别与智能系统,2010,硕士.
[7]于海良.LQG/LTR方法在转台系统中的应用[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[8].“开放教育资源与教学改革国际研讨会暨浙江大学第五届教育信息化论坛”在浙江大学举行[J].电化教育研究,2014,08:1.
[9]陈宜贤,洪璐,王柳苏.互联网思维对银行业经营模式的影响与转型研究[J].经营与管理,2014,12:106-109.
[10]莫晓华.城乡结合部交通标志设置优化设计及效果评价[D].长安大学,交通工程,2014,硕士.
[11]宋炎太.γ闪烁料位计在首钢四高炉应用[J].冶金自动化,1983,06:58.
[12]刘永晓.直流变换器控制方法的研究[D].上海电力学院,电力系统及其自动化,2014,硕士.
[13]张学良,潘啸虹.崛起的启示——从浙江义乌市勘察测绘院迅猛发展想到的[J].中国测绘.1996(01)
[14]胡兴民.客户关系管理的基本精神[J].计算机辅助设计与制造,2001,06:28.
[15]陈甸.我国公共租赁房准入与退出机制研究[D].浙江财经学院,社会保障,2012,硕士.
[16]庄玉芳.登陆舰双尾鳍新船型变尾鳍间距的系列研究[J].舰船科学技术.1991(02)
[17]徐国民.剪叉式空间伸展臂设计及其模拟装置研制[D].浙江理工大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[18]胡晓东.基于android平台音乐播放器的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[19]李群.论明代儒生与皇权的关系[D].山东师范大学,专门史,2013,硕士.
[20]赵湘湘.黄荆子活性化合物抗类风湿性关节炎作用机制研究[D].华东师范大学,植物学,2013,硕士.
[21]朱艳鹏.移动互联网背景下大学生网络旅游信息搜寻行为研究[D].西北大学,旅游管理,2013,硕士.
[22]李明.国家审计、政府治理效率与地方经济发展[D].西南财经大学,审计学,2014,博士.
[23]王俊洁.铁皮石斛体细胞无性变异的生药学初步研究[D].云南中医学院,中药学,2012,硕士.
[24]李元昊.特种车辆清洗废水处理工艺研究[D].武汉纺织大学,物理电子学,2013,硕士.
[25]张玉洁.河北省高端医药产业园区立法问题探讨[D].河北经贸大学,法学理论,2012,硕士.
[26]左勇.选择性催化转化纤维素制备乙酰丙酸[D].中国科学技术大学,有机化学,2014,硕士.
[27]刘晓菲.液体棱镜中的热光效应研究[D].哈尔滨工业大学,光学,2014,硕士.
[28]逯红兵,宋瑞.基于UBGPM-Markov的铁路货运量预测方法[J].大连交通大学学报,2014,06:1-5.
[29]周君来.FDP对运动性疲劳大鼠心肌与血清中酶活性及自由基代谢影响的研究[D].湖南师范大学,运动人体科学,2004,硕士.
[30]戚凤香,王家增,孙振佼,冯玉平,高丽霞,张玉强.轧制压力公式在中型轧机上适用性的探讨[J].河南冶金.2005(01)
[31]本报记者纪爱玲.石墨烯：市场未启炒作先行[N].中国高新技术产业导报,2011-02-28C06.
[32]戎安.田纳西·威廉斯三大剧作中隐含的同性恋主题研究[D].海南大学,英语语言文学,2014,硕士.
[33]黄晓敏.天津鼎盛工程机械有限公司信息系统发展战略与实施[D].天津大学,2004.
[34]严文康.铝裂纹扩展行为的分子动力学模拟[D].南昌航空大学,机械工程（专业学位）,2013,硕士.
[35]潘建新.磁性淀粉微球的功能化及吸附性能研究[D].广东工业大学,环境科学与工程,2014,硕士.
[36]郝艳莉.基于DM6446的音频信号识别系统的研究[D].哈尔滨理工大学,测试计量技术及仪器,2012,硕士.
[37]杨振英,田源.数据挖掘并不遥远[J].中国科技信息,2005,23:79+85.
[38]吕慧.基于流固耦合的飞机液压管路动力学分析[D].西安电子科技大学,机械电子工程,2012,硕士.
[39]卢宽.武器装备作战效能图形化评估工具研究[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[40]陈文超,蒋振宇,周凡,吴峥嵘,蒋桂星,张布衣,曹利平.腹腔巨大炎性肌纤维母细胞瘤1例报告并文献复习[J].中国实用外科杂志,2014,08:796.
[41]王吉林.智能履带车视觉导航技术研究[D].吉林大学,机械设计及理论,2004,硕士.
[42]谢健骊,李翠然.基于分簇的铁路应急通信网络路由算法[J].计算机工程与设计,2014,02:386-390.
[43]安海燕,钱文荣.农民工人力资本、社会资本投资行为影响因素分析[J].农业现代化研究,2015,02:219-224.
[44]王丹.基于环境认知的灾难纪念型景观设计研究[D].重庆大学,景观建筑学,2014,硕士.
[45]王建定.实施AA制教师评价方案的定性研究[D].华东师范大学,教育管理,2001,硕士.
[46]刘志新,郑庆超,薛亮,关新平.一种具有提高覆盖性能的传感器网络节能分簇算法[J].控制与决策,2012,03:374-378.
[47]李荣华,邓琦,周国逸,张德强.起始时间对亚热带森林凋落物分解速率的影响[J].植物生态学报,2011,07:699-706.
[48]范丽华.草鱼蛋白激酶Z(CiPKZ)的表达与亚细胞定位及2种鱼类组织学形态研究[D].南昌大学,动物学,2012,博士.
[49]尚村,李朋,孟彬,李胜.材料试验机电液数字伺服同步举升系统研究[J].机床与液压,2015,01:48-52+60.
[50]马宁.论公司解散与清算程序中的债权人保护问题[D].吉林大学,民商法学,2004,硕士.