空间机械臂装配建模与视觉导引问题研究

• 作 者: 张丰
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 空间机器人 机械臂建模 视觉导引 特征检测

随着人类在太空中的探索活动越来越频繁,太空任务越来越多样化,任务质量要求越来越高,建设大型空间飞行器的需求也越来越强烈。但是受制于运载能力和研究周期的限制,航天器平台规模难以扩大,空间任务的灵活性和扩展性难以有效提升。为了破解这一困境,提出了航天器在轨变形重构的工作模式。这种模式主要通过空间机器人/机械臂辅助完成航天器的组装、变结构和维护工作。本论文着眼于上述任务背景,结合大型天线卫星的模块组装这一实际问题,针对空间机械臂的动力学建模与视觉导引问题进行了深入研究,并通过仿真进行了相关方法验证。论文内容包含以下方面:首先针对空间机械臂的建模问题,探讨了如何通过体坐标系与关节变量表示机械臂的正运动学和逆运动学,并且就如何解耦简化逆运动学求解进行了分析。在运动学的基础上,讨论了机械臂的动力学计算过程。最后将地面上的机械臂计算方法应用到空间机械臂系统中,分析了组装过程中,空间机械臂的运动与动力因素对航天器基体的位置、姿态的影响。其次,针对机械臂运动过程中如何判别机械臂操纵对象的运动状态,研究了视觉导引问题。对视觉导引的问题核心进行了详细阐述,随后阐释了相机成像模型及成像过程中畸变现象的物理原因。结合空间实验环境中的成像特性,讨论特征提取问题,提出了提取方法与匹配方案,为目标运动的估计建立了实践基础。最后一部分内容是对前两章建模与算法的验证,分别在两个软件开发环境中完成了空间机械臂动力学建模与图像特征提取匹配的仿真实验。证实了前述理论方法的可行性。