博士生课程空间机器人关键技术

博士生课程空间机器人关键技术1空间机器人概述2数学力学基础3冗余自由度机器人4柔性机械臂5欠驱动机器人6机器人灵巧手（一）空间机器人的概述1.空间机器人在空间技术中的地位从20世纪50年代，以美国和苏联为首的空间技术大国就在空间技术领域展开了激烈的竞赛。i苏联1957年8月3日，前苏联研制的第一枚洲际弹道导弹SS-6首次发射成功。不久，前苏联火箭总设计师柯罗廖夫从美国新闻界得知美国试图在1957-1958年的国际地球物理年里发射一颗人造地球卫星。于是，他立即将SS-6导弹稍加修改，将弹头换上一个结构简单的卫星，抢先将第一颗人造卫星送上了太空。接着，在第一颗人造卫星发射后一个月，即11月3日，又用SS-6导弹作航天运输工具，将装有小狗“莱伊卡”的第二颗人造卫星送入太空的圆形地球轨道。1959年5月，前苏联又将“月球”l号人造卫星送入了月球轨道。ii美国在1958年以前，以“红石”近程导弹和“维金”探空火箭为基础，分别研制成“丘比特”C和“先锋”号等小型运载火箭，用于发射最初的几个有效载荷仅为数千克至十几千克的小卫星。发展到今天，从地面实验室研究到人造卫星、空间站、载人飞船、航天飞机、行星表面探测器，空间技术大国都投入了大量人力、物力和财力。空间技术对于天文学、气象、通信、医学、农业以及微电子等领域都产生了很大的效益。不仅如此，空间技术对于未来国家安全更具有重要的意义。在空间技术发展的过程中空间机器人的作用越来越明显。20世纪60年代前苏联的移动机器人研究所(著名的俄罗斯Rover科技有限公司前身)研制了世界上第一台和第二台月球车Lunohod-1和Lunohod-2。1976年美国发射海盗一号和二号(Rover-1、Rover-2)的登陆舱相继在在火星表面登陆，通过遥操作机械臂进行火星表面土壤取样。随着空间技术研究的日益深入，人类空间活动的日益频繁，需要进行大量的宇航员的舱外活动(EVA)，这对宇航员不仅危险，而且没有大气层的防护，宇宙射线和太空的各种飞行颗粒都会对宇航员造成伤害。建造国际空间站，以及未来的月球和火星基地，工程浩大，只靠宇航员也是非力所能及的。还有空间产业、空间科学实验和探测，这些工作是危险的，但有一定重复性，各航天大国都在研究用空间机器人来代替宇航员的大部分工作。此外许多空间飞行器长期工作在无人值守的状态，这些飞行器上面各种装置的维护和修理依靠发射飞船，把宇航员送上太空的办法既不经济，也不现实。在未来的空间活动中，许多工作仅靠宇航员的舱外作业是无法完成的，必须借助空间机器人来完成空间作业。2空间机器人的任务和分类1)空间建筑与装配。一些大型的安装部件，比如无线电天线，太阳能电池，各个舱段的组装等舱外活动都离不开空间机器人，机器人将承担各种搬运，各构件之间的连接紧固，有毒或危险品的处理等任务。有人预计，在不久将来空间站建造初期，一半以上的工作都将由机器人完成。2)卫星和其他航天器的维护与修理。随着人类在太空活动的不断发展，人类在太空的资产越来越多，其中人造卫星占了绝大多数。如果这些卫星一旦发生故障，丢弃它们再发射新的卫星就很不经济，必须设法修理后使它们重新发挥作用。但是如果派宇航员去修理，又牵涉到舱外活动的问题，而且由于航天器在太空中，是处于强烈宇宙辐射的环境之下，有时人根本无法执行任务，所以只能依靠空间机器人。挑战者号和哥伦比亚号航天飞机的坠毁引起人们对空间飞行安全的关注，采用空间机械臂修复哈勃太空望远镜似乎是一件很自然的事情。安装上新的科学仪器(包括一台视野宽阔的摄象仪和一台摄谱仪)后，哈勃望远镜的观测能力可增强十倍以上。空间机器人所进行的维护和修理工作包括回收失灵卫星，对故障卫星进行就地修理，为空间飞行器补给物资等。3)空间生产和科学实验。宇宙空间为人类提供了地面上无法实现的微重力和高真空环境，利用这一环境可以生产出地面上无法或难以生产出的产品。在太空中还可以进行地面上不能做的科学实验。和空间装配，空间修理不同，空间生产和科学实验主要在舱内环境里进行，操作内容多半是重复性动作，在多数情况下，宇航员可以直接检查和控制。这时候的空间机器人如同工作在地面的工厂里的生产线上一样。因此，可以采用的机器人多是通用型多功能机器人。空间机器人是空间技术研究的重要内容，它是代替宇航员进行空间科学研究和作业的有力工具。空间机器人按照用途可以分为i空间站机器人(包括空间站与航天飞机舱内机器人和空间站与航天飞机舱外机械臂)；ii星载机器人(包括空间自由飞行机器人和空间自由漂浮机器人)；iii外星表面探测机器人。从空间机器人的结构组成来看，可分为单臂和多臂(主要是双臂)空间机器人。(3)空间机器人的特点空间环境和地面环境差别很大，空间机器人工作在微重力、高真空、超低温、强辐射、弱照明的环境中，因此，空间机器人与地面机器人的要求也必然不相同，有它自身的特点。由于空间机器人在空间微重力的环境下工作，因此当机械臂运动时，会对载体产生反作用力和力矩，从而改变载体的位置和姿态，即空间机器人的机械臂和载体之间存在着运动学和动力学耦合问题。如果不考虑这种力学耦合问题，而依然采用地面固定基座机器人的运动控制技术，空间机器人就无法完成预定的操作任务。所以研究空间机器人，首先要解决的是如何考虑这种因素，建立相互作用的运动学、动力学模型及运动控制算法。另一个关键问题是在地面上模拟微重力条件的地面试验平台，用来验证空间机器人运动特殊性、卫星姿态、捕捉目标路径规划等各种运动控制算法的可行性。由于是高真空，液体无法附着在固体表面，而且极易挥发，无法采用地面上常规的液体润滑和密封技术，而必须考虑固体润滑和磁流体密封。对于舱内空间机器人，要求体积比较小，重量比较轻，抗干扰能力强。其次，要求空间机器人的智能程度高，功能全。空间机器人消耗的能量要尽可能小，工作寿命要尽可能长。由于是工作在太空这一特殊的环境之下，对它的安全性、可靠性和可维修性要求也比较高。从控制的角度看，由于空间的遥操作距离远大于地面，时延成为不可忽略的因素，在地面上成功的控制策略和控制方法对于空间的遥操作往往行不通，必须考虑空间机器人的自主性和智能性，以及控制和通信的智能系统。总之，由于空间活动的成本高昂，空间技术的研究和发展需要强大的经济基础为后盾，这导致空间飞行器的设计需要采取特殊的思路，控制系统需要采用先进的策略和软硬件装备。由于空间活动的未知因素多，必须具备一定的自主工作能力(智能性和灵活性)，同时还必须具有良好的容错能力和可靠性。空间发射成本高，减轻发射重量成为诸多考虑因素的首选因素，这就使空间机器人大多为轻质柔性结构，因此具有较大的变形。微重力和载体不固定，使得空间机器人系统为非完整系统。因此空间机器人的基本特点是：轻质柔性、灵活性、容错性、非完整约束、智能性。此外为了使空间机器人具有容错性，一般都采用冗余自由度的构形、欠驱动方式和柔性结构。这些造成空间机器人系统的高度复杂性和综合性。空间机器人的研究涉及多学科领域，它集成了力学、机械学、控制工程、计算机科学、测试技术和通信技术等多学科领域的最新成就。(4)空间机器人发展现状加拿大臂(Canadarm)的空间机械臂的正式名称是SRMS(theShuttleRemoteManipulatorSystem)，长15.2m,重410kg。已制造并交付使用了5套完整机械臂系统。每套臂系统中有2套手动控制器，分别控制3个移动和3个转动等6个自由度。该臂末端速度为600mm/s(空载);有载荷的情况下的速度为60mm/s。已飞向太空执行任务34次。在地面上是用气浮方式模拟太空微重力环境，作二维水平运动来试验、维护的。加拿大为国际空间站提供一个移动服务系统(MSS)及其有关地面设备。作为回报，加拿大将获得国际空间站3%的使用权。移动服务系统包括空间站遥控机械臂系统(SSRMS)、专用机械手(SPDM)两部分。SSRMS长17.6m，重936kg，负荷时移动速度为6mm/s，空载时移动速度为600mm/s，定位精度10mm/(°)，能搬动重量为19500kg、尺寸为18.3m×4.6m的有效载荷。SSRMS可用于空间站的装配与服务、轨道器的对接与分离、有效载荷操作以及协助出舱活动等，在国际空间站的装配和维护中将发挥关键作用。SPDM是一个双臂机器人，每个臂长2m，有7个自由度，能承担目前由舱外活动航天员完成的许多维修和装配任务。从1981年第一次太空飞行，SRMS就表现出高可靠性、高效性和万能性，能够对负载进行准确、精细和复杂的操作。它是由加拿大MDA公司为美国NASA设计和制造的。以后NASA又订制了4台SRMS。加拿大臂能够无缝地实现把卫星放入轨道和回收有故障的卫星。1990年4月24日加拿大臂稳固地将Hubble空间望远镜放入轨道。从1990年4月到2002年3月它在4次太空飞行中协助宇航员完成了18次太空行走，进行了总计129小时的EVA。Canadarm的非计划性任务包括清除阻塞的废水口的冰块，它们可能对航天飞机返回时收起天线和激活失效卫星重新放入正确轨道造成威胁。在1998年12月，Canadarm在国际空间站的第一次装配任务中发挥了关键作用,实现了美国单元与俄国空间站Zarya的对接。Canadarm将会继续在空间站装配中发挥重大的作用。加拿大臂由肩关节(2个自由度)、肘关节(1个自由度)和腕关节(3个自由度)，整个臂分为上臂和下臂。总质量905磅(410kg)。碳复合材料2数学力学基础(1).矩阵理论①矩阵的四个基本子空间线性方程组可以用矩阵形式写为bAx(1)式中，A为m×n系数矩阵，x为n维向量空间Rn的列向量，b为m维向量空间Rm的列向量。如果方程的数目小于未知数的数目，即mn。我们假设A是行满秩的，即A的秩r等于m。由于方程数m小于变量数n，方程组为欠定方程组。由线性代数可知，方程组的解不唯一，在所有的解向量中，有一个解向量是最小范数解。其他的解可以认为是由这个解和线性方程组对应的齐次线性方程组Ax=0通解之和。齐次线性方程的这些解组成了向量空间Rn中的一个子空间，称为矩阵A的零空间，或者称为A的核。它的维数是n-m。记作N(A)。如果矩阵A的秩r小于m，零空间的维数则为n-r。类似地，齐次线性方程组ATx=0的全体解组成了向量空间Rm的一个子空间，称为矩阵A的左零空间。它的维数是m-r。记作N(AT)。如果矩阵行满秩，即r=m，N(AT)为零。A的r个线性无关列在m维向量空间中张成一个r维子空间，记作R(A)，称为矩阵A的列空间。A的r个线性无关行在n维向量空间中张成一个r维子空间，，它也可以看成是矩阵AT的列空间。定理1任何m×n矩阵A，其左零空间N(AT)与列空间R(A)互为向量空间Rm中的正交子空间，并且Rm=R(A)⊕N(AT)，一般称为它们互为正交补空间。定理2任何m×n矩阵A，其零空间N(A)与行空间R(AT)互为向量空间Rn中的正交子空间，并且Rn=R(AT)⊕N(A)，一般称为它们互为正交补空间。综如上述内容可知，给出一个m×n实矩阵A，与之相联系的有4个重要的子空间：A的列空间：它由矩阵A的线性无关的列生成，用R(A)表示。A的行空间：它由矩阵A的线性无关的行生成，用R(AT)表示。A的零空间：它由满足齐次方程组Ax=0的全体解组成，用N(A)表示。A的左零空间：它由满足齐次方程组ATx=0的全体解组成，用N(AT)表示。Rn中的两个子空间R(AT)、N(A)；Rm中的两个子空间R(A)、N(AT)。它们的关系为Rn=R(AT)⊕N(A)，且R(AT)⊥=N(A)；Rm=R(A)⊕N(AT)，且R(A)⊥=N(AT)；(2)这里，上标“⊥”表示是正交补空间。②矩阵的广义逆。由对线性方程组Ax=b较完整的讨论，可知它可能无解，或有唯一的一组解，或有无穷多组解。初看起来，无解的矛盾方程组没有任何意义，但是在实际工程问题中，常常会遇到矛盾方程组，或者叫作超定方程组。虽然不能求得Ax=b精确解，但是若能求得x，使bAx最小，也是具有实际意义的，这就是矛盾方程组的最小二乘解。对于欠定方程组，在无穷