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工学硕士学位论文
自由漂浮空间机器人运动规划
硕士研究生: 韩万伟
导师:马广程副教授
申请学位级别: 工学硕士
学科、专业: 控制科学与工程
所在单位:控制科学与工程系
答辩日期:2007 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:TP24
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Dissertation for the Master Degree of in Engineering
MOTION PLANNING FOR
FREE-FLOATING SPACE ROBOT
Candidate: Han Wanwei
Supervisor: Associate Prof. Ma Guangcheng
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: Control Theory and Control
Engineering
Date of Oral Examination: July, 2007
University: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
空间技术的发展使得空间机器人的应用更加广泛,特别是自由漂浮空间
机器人(Free-Floating Space Robot)。FFSR由空间载体和搭载在其上的机械
臂组成,能在宇宙空间自由漂浮并代替宇航员做在轨服务作业。在FFSR作
业时,空间载体位姿无控,这样可以节省昂贵的载体位姿控制燃料,延长了
空间机器人的使用寿命。本文针对自由漂浮空间机器人的运动学建模、运动
规划等内容进行了研究。
在本文开始,我们对空间机器人的发展历史及国内外空间机器人的研究
现状做了比较详尽的综述。接着,根据机器人学理论,我们将位姿描述方法
和D-H坐标系建立方法应用到了空间机器人上。
接下来,本文推导出了基于总动量表达式的自由漂浮空间机器人的运动
学模型,该模型能够方便地描述空间机器人载体和机器人末端工具点与机器
人关节角间的速度映射关系。接下来又对空间机器人的载体姿态干扰特性、
非完整性以及工作空间进行了分析。这些研究为后续的自由漂浮空间机器人
的路径规划研究莫定了理论基础。
最后,本文基于使自由漂浮空间机器人在运动时消耗能量最小的目的,
利用多项式插值法对其运动轨迹进行最优规划。它的本质是将非完整约束方
程映射到一个等价的低维空间中,然后利用高阶多项式作为关节空间轨迹的
表示方法。此方法实现了仅通过机械臂的运动同时使基座姿态和机械臂末端
位置达到期望的状态。
关键词自由漂浮空间机器人;非完整约束;运动规划;运动学模型
- I -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
With the development of space technology, space robots especially to free-
floating space robots (FFSR) are applied widely. The FFSR consists of a space
vehicle and manipulators fixed on the space vehicle. It can float freely in space
and take the place of astronauts to work on orbits. The space vehicle is not
controlled at work, so the fuel used to control the vehicle location and orientation
can be saved and long the life of the space robot. In this paper, kinematics
modeling, path planning of free-floating space robots are studied.
Firstly, the history and current status of the development of space robot at
home and abroad are s