机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第46卷第13期 2010年7月 Vol.46 No.13 Jul. 2010 DOI ：10.3901/JME.2010.13.109 基于A *算法的空间机械臂避障路径规划* 贾庆轩 陈 钢 孙汉旭 郑双奇 (北京邮电大学自动化学院 北京 100876) 摘要：针对空间机械臂在轨操作任务需求，提出一种基于A*算法的避障路径规划算法。根据机械臂和障碍物几何特征，对机械臂模型和障碍模型进行简化。通过研究机械臂本身所固有的几何特性，根据障碍物的位姿坐标，分析机械臂各杆件与障碍物发生碰撞的条件，进而求解空间机械臂的无碰撞自由工作空间。在此基础上，利用A*算法在空间机械臂的自由工作空间进行无碰撞路径搜索，实现了空间机械臂的避障路径规划。通过仿真试验验证了基于A*算法的空间机械臂避障路径规划算法的有效性与可行性。 关键词：空间机械臂 避障路径规划 A*算法 中图分类号：TP242 Path Planning for Space Manipulator to Avoid Obstacle Based on A * Algorithm JIA Qingxuan CHEN Gang SUN Hanxu ZHENG Shuangqi (Automation School , Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Abstract ：A novel path planning method to avoid obstacle based on A* algorithm is presented for space manipulator to accomplish the in-orbit mission. According to the geometric characteristics of manipulator and obstacle, the manipulator model and obstacle model are simplified. On the basis of the inherent geometric characteristic of manipulator, and according to the position and orientation coordinates of obstacle, the collision conditions of all links of manipulator are analyzed. And then, the collision-free workspace of space manipulator is obtained. On this basis, the collision-free path search in the free workspace of space manipulator is carried out by using A* algorithm, thereby, the obstacle avoidance path planning is achieved. The effectiveness and feasibility of the proposed path planning algorithm based on A* algorithm for space manipulator to avoid obstacle are verified by simulation and experiment. Key words ：Space manipulator Obstacle avoidance path planning A* algorithm 0 前言 随着空间探索的不断深入，空间机械臂应用技 术已经成为空间技术的重要研究方向。空间机械臂代替宇航员完成空间作业任务，如组装与搭建空间站、释放与回收卫星、维护空间设备以及完成空间科学试验等，大大减小了宇航员舱外作业的风险，因此空间机械臂应用技术受到国内外专家的高度重视。在微重力环境下，空间机械臂系统处于自由漂 * 国家高技术研究发展计划资助项目(863计划，2009AA7041007)。 20100324收到初稿，20100504收到修改稿 浮状态，使得机械臂控制变量与非独立变量之间存在强烈的运动耦合，运动控制难度加大，从而空间机械臂的路径规划变得特别复杂[1]。此外，由于空间环境中的空间碎片，空间舱体外设试验装置等都有可能成为空间机械臂在轨操作过程中的障碍，因此为了顺利完成在轨操作任务，开展空间机械臂避障路径规划研究十分重要。 避障路径规划是指在给定的障碍条件以及起始和目标的位姿，选择一条从起始点到达目标点的路径，使运动物体能安全、无碰撞地通过所有的障碍[2]。目前，针对机械臂避障路径规划提出了许多方法，其中最为典型的包括基于自由空间法和人工
空间机械臂技术发展综述 刘一宏?蒋再男?刘业超 (哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室?哈尔滨１５００８０) 摘要:介绍了国外载人航天中的航天飞机二国际空间站上的典型空间机械臂系统?概述了用于 我国空间站建造和维护任务的空间站机械臂系统?详述了其中核心舱机械臂和实验舱机械臂的任务要求和基本方案?重点阐述了实验舱机械臂的关节二末端作用器二控制器以及遥操作子系统的方案二组成和主要功能?并对我国未来空间机械臂技术的发展提出了建议?关键词:空间机械臂?在轨建造?在轨维护 中图分类号:ＴＰ２４２ ３一文献标识码:Ａ一文章编号:１６７４￣５８２５(２０１５)０５￣０４３５￣０９ ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｐａｃｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＩＵＨｏｎｇ?ＪＩＡＮＧＺａｉｎａｎ?ＬＩＵＹｅｃｈａｏ (ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＳｙｓｔｅｍ?ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?Ｈａｒｂｉｎ１５００８０?Ｃｈｉｎａ) Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｔｙｐｉｃａｌｓｐａｃｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｓｐａｃｅｓｈｕｔｔｌｅａｎｄｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｐａｃｅＳｔａｔｉｏｎｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ.ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅｓｐａｃｅｓｔａｔｉｏｎｒｅｍｏｔｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｏｎ－ｏｒ￣ｂｉｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｍｉｓｓｉｏｎｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｔｈｅｍｉｓｓｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｂａｓｉｃｓｏｌｕ￣ｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｃｏｒｅｍｏｄｕｌｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｏｄｕｌｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ.Ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｐｏｓａｌ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍａｉｎｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔ?ｔｈｅｅｎｄｅｆｆｅｃｔｏｒ?ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｆｏｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｏｄｕｌｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｅｒｅｅｌａｂｏｒａｔｅｄ.Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏ￣ｐｏｓａｌｆｏｒｏｕｒｓｐａｃｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗａｓａｌｓｏｍａｄｅｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｐａｃｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ?ｏｎ￣ｏｒｂｉｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ?ｏｎ￣ｏｒｂｉｔｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ 收稿日期:２０１５￣０３￣１０?修回日期:２０１５￣０９￣０１ 基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１９０５０９７)?国家基础研究发展规划资助项目(９７３￣２０１３ＣＢ７３３１０３) 作者简介:刘一宏(１９６６－)?男?博士?教授?博士生导师?教育部长江学者特聘教授?研究方向为空间机器人技术?Ｅ￣ｍａｉｌ:ｄｌｒｈｉｔｌａｂ＠ａｌｉｙｕｎ.ｃｏｍ １一引言 空间机械臂具有一体化的空间感知二机动和操作能力?通过在轨操作二地面遥操作或自主操作方式完成航天器的在轨装配二污染清理二观测与检查二故障模块更换二在轨加注二消耗载荷更换和补充二轨道清理二轨道转移等工作[１]?是航天器在轨组装与维护的核心装备? 国际空间站的搭建和维护经验告诉我们?利用空间机械臂辅助航天员完成空间搭建和载荷维护等任务?大大减轻了航天员出舱风险?减轻了航天员的工作压力?提高了空间探索活动的效率[２￣５]? 加拿大二日本二欧洲二美国等较早开展了空间机械臂的研究工作?并基于航天飞机二国际空间站等平台开展了大量的在轨试验和工程应用?积累了丰富的技术能力和应用经验?我国目前已完成了针对合作目标的空间机械臂在轨演示验证?正开展针对我国空间站的机械臂研制? 本文对载人航天中有人参与的空间机械臂进行了综述?分别介绍了国际空间站ＩＳＳ(Ｉｎｔｅｒ￣ ｎａｔｉｏｎａｌＳｐａｃｅＳｔａｔｉｏｎ)的加拿大移动服务系统ＭＳＳ(ＭｏｂｉｌｅＳｅｒｖｉｎｇＳｙｓｔｅｍ)二日本实验舱远程机械臂ＪＥＭＲＭＳ(ＪａｐａｎｅｓｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＭｏｄｕｌｅＲｅ￣ｍｏｔｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＳｙｓｔｅｍ)二欧空局机械臂ＥＲＡ(ＥｕｒｏｐｅａｎＲｏｂｏｔｉｃＡｒｍ)以及美国的机器人宇航第２１卷一第５期２０１５年一９月一一一一一一一一一载一人一航一天ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔ一一一一一一一一一 Ｖｏｌ.２１一Ｎｏ.５ Ｓｅｐ.２０１５
本文于1996年7月8日收到 3国家自然科学基金重点项目及河北省博士科研基金项目 空间机械臂动力学奇点与回避3 顾晓勤 (河北师范大学机械系?石家庄?050031) 刘延柱 (上海交通大学工程力学系?上海?200030) 摘 要 本文导出空间机械臂非完整约束方程,讨论自由漂浮系统动力学奇点问题,对冗余和非冗余系统分别提出避免奇点的方法,对平面运动情形得到减少奇点出现的工程方法。文中附有算例。 主题词 空间机械臂 动力学 多体动力学 AVO I D ING DY NAM I C SINGULAR IT IES OF SPACE M AN IPULAT OR Gu X iaoqin (H eber N o r m al U niversity ?Sh ijiazhuang ?050031) L iu Yanzhu (Shanghai J iao tong U niversity ?Shanghai ?200030) Abstract T he nonho lonom ic constrains of space m ani pulato r are derived in th is paper .D y 2nam ic sigularities of free 2floating system is discussed ,and reducing area of singularity fo r in 2p lane moving system are p ropo sed .T he num erical si m ulati on examp le is given . Key words Space m ani pulato r D ynam ics M ultibody dynam ics 1 引 言 空间机械臂可用于卫星释放、回收及空间站的在轨建造维修等。为节省能源机械臂在执行任务时载体姿控系统常暂时关闭。给定负载始末位姿或在惯性空间给出设计轨迹求转铰运动规律时,当广义Jacob i 矩阵奇异则系统出现奇点,无法得到逆问题解。由于漂浮系统奇点与系统动力学特性有关故称动力学奇点。非完整约束使奇点的位置不仅与机械臂转角当前值有关,还由转角的时间历程决定,故动力学奇点是空间机械臂控制中的难点和关 第19卷 第4期1998年10月 宇 航 学 报JOURNAL OF ASTR ONAUT I CS Vol .19No .4Oct .1998
机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 三维空间机械臂的动力学建模与仿真分析 吴良凯，王涛，王春丽，王洲，夏国辉(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590) 摘要：为了提高三维空间助力机械臂的设计效率，运用拉格朗曰方法建立机械臂的动力学模型，利用Sold /V o k 建立三 维空间助力机械臂的构件模型,将装配后三维实体模型导入ADAMS 中进行动力学仿真分析，得到相关性能曲线图，为空间 助力机械臂的结构设计和最优控制提供依据。 关键词:机械臂;动力学；ADAM S 拉格朗日法中图分类号："P 241N /441 文献标志码：A 文章编号：1〇〇2-2333(2〇17)〇1-〇〇15-〇3 Dynamics Modeling and Simulation Analysis of Three-dimensional Space Manipulator WU Liangkai , WANG Tao , WANG Chunli , WANG Zhou , XIAGuohui (College of Mechanical and Electronic Engineering , Shandong University of Science and Technology , Qingdao 266590, China ) Abstract : In order to improve the design efficiency of three-dimensional space manipulator, the dynamic modeling of the manipulator is established by using Lagrange method, the three-dimensional solid component model of space manipulator is built by Solidworks, the three -dimensional solid model after assembled is imported into ADAMS to carry out the dynamic simulation analysis. Related performance curve is obtained to provide reference for the mechanical structure design and the optimal control of the space manipulator. Key words : manipulators; dynamics; ADAMS; Lagrange 0 引言 三维空间助力机械臂是一个复杂的动力学系统，它 由多个关节和多个运动构件组成，各关节与运动构件之 间存在复杂的耦合关系?。为了机械臂的结构设计以及控 制系统的开发与优化，对机械臂进行动力学分析与研究常取极大值[15。然而，发电机实际工作中，除少数情况外， 支架大部分区域的实际受力要低于峰值。故对比二者的 数据，大部分试验值小于仿真值，以负偏差居多。 3)试验所得的最大测点峰值为309 MPa ,比材料的许 用应力小。 综上所述，该发电机转子支架的强度特性比较好，符 合安全使用标准。3 结论 本文对某具体的发电机转子支架设计案例，分别在 额定工况和飞逸工况两种条件下，进行了强度性能数值 计算，并进行了应力试验，获得了强度性能较好的转子支 架。同时，也应该看到，仿真的工况点不多，故存在数据不 完善之处，下一步的工作，拟对更多工况点展开分析，以 更加精确地验证转子支架的强度性能。 [参考文献] [1] 衣然，兰波.大型水力发电机转子支架应力分析[C ]//第十九次 中国水电设备学术讨论会论文集，2013[2] 哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M ].北京:机械工业出 版社，1981. [3] 张慧珍.1.5MW 水平轴风力机叶片结构性能分析[D ].成都:西华 大学能源与环境学院，2011. [4] 陈荣盛.风力机结构动力学特性研究[D ].成都:西华大学能源与 是非常重要的。越来越多设计人员将虚拟样机仿真作为 机械系统研发的重要依据，相比传统机械设计而言，节省 了物理样机的实验时间以及材料，缩短了设计周期，提高 了机械臂工作性能[34]。 目前动力学分析领域中的方法主要包括拉格朗曰 环境学院，2009. [5] 王旭，李萍，陈荣盛，等.水轮机尾水管设计的CFD 分析与模型试 验研究[J ].水电能源科学，2015,33(9):163-165. [6] 秦艳，苟向辉.发电机转子支架应力试验分析[J ].工程与试验， 2015,55(2):52-54. [7] 王旭，胡洪，王莉君，等.基于有限元法的2MW 水平轴风力发电机 叶片模态分析[】].机械制造，2015,53(1):9-11. [8] 李发海，王岩.电机与拖动基础[M ].北京:清华大学出版社，2005.[9] 闻邦椿.机械设计手册[M ].北京:机械工业出版社，2010.[10] 温洁明，陈家权，沈炜良.水轮发电机转子支架有限元分析及应 力试验[J ].机械工程师，2007(3)61-63. [11 ]薛勇，程文兵，张明.糯扎渡水电站水轮机蜗壳水压试验情况及 分析[J ].人民长江，2012,43 (4):67-69. [12] 章宝华，良贵.材料力学[M ].北京:北京大学出版社，2011.[13] 冼进.现代机电驱动控制技术[M ].北京：中国水利水电出版 社，2009. [14] 王旭，李萍，陈荣盛，等.水轮机椭圆蜗壳设计的CFD 计算及试 验分析[J ]■人民黄河,2016,38(1):109-111.[15] 胡金秀，胡祥甫.85MW 高转速水轮发电机转子设计[J ].山东 工业技术,2014(7) :8-9. (编辑昊天） 作者简介：张彦南（1984—)，男，博士，工程师，主要从事水利水电工 程方面的研究。 收稿日期：2016-07-07 网址 https://www.doczj.com/doc/4818011669.html, 电邮：hrbengineer@https://www.doczj.com/doc/4818011669.html, 2017 年第 1 期 | 15
空间机械臂机电一体化关节控制设计探究 摘要：随着我国经济实力和科技水平的不断提升，我国的航天事业也得到了长 足的发展，空间机械臂是空间站的重要组成部分，是维护设备和组建空间站的关 键设备。机电一体化关节是空间机械手的关键组成部分，在空间机械手的应用中 发挥着重要作用。机电一体化接头的设计不仅影响空间机械手的控制精度，而且 影响空间机械手的整体性能。因此，要对机电一体化关节的控制和设计予以高度 的重视，以此来不断的提升空间机械臂的集成性和可靠性。本文阐述了空间机械 臂机电一体化关节的控制设计。 关键词：空间机械臂；机电一体化；关节控制；设计 引言：空间机械臂是空间站的重要组成部分，在航空領域中发挥着重要的作用。对于空间机械手，机电接头不仅可以促进稳定高效的操作，还可以提高其性能。因此，一定要对机电一体化关节的控制和设计予以高度的重视。 1.空间机械臂和机电一体化关节简介 太空机械手是空间站的重要组成部分，主要由结构系统，机构系统，地面控 制台，在轨控制系统，移动基座系统，末端执行器系统，关节驱动控制系统等组成。空间机械手的臂和关节的结构连接到末端执行器系统，并且空间机械手装置 需要依靠关节的旋转来完成相关的空间运动。空间机械臂在空间站中发挥着重要 的作用，不但可以为空间站的建设和维护提供强大的助力，还可以为航天员提供 相应的援助，以此来提升航天员的行动能力。另外，通过空间机械臂的应用，可 以很有效的减少航天员的出仓次数，不但降低了航天员的作业风险，也提升了航 天员在宇宙空间的安全性。机电一体化关节是空间机械手的重要组成部分。空间 机械手可以通过机电关节的速度，位置和力的闭环控制来完成多自由度旋转运动。机电一体化关节的功能性很强，第一，能够为空间机械臂提供操作的驱动力和负 载能力。其次，机电一体化关节可以实现空间机械手的紧急制动。第三，机电关 节还可以保护空间机械手的结构。第四，机电一体化关节可以有效地提高空间机 械手的工作精度。第五，通过机电一体化关节，空间机械臂能够和中央控制系统 实现信息的交互。空间机械臂的组成空间机械臂主要包括8个子系统：关节与驱 动控制结构、结构与机构、视觉、末端作业工具、移动基座、末端效应器、在轨 操作控制及地面遥控操作控制，图1所示为空间机械臂详细组成图。关节与驱动 控制结构中共有7个关节和驱动控制器，其分别布置在机械臂的腕部、肩部及肘部，关节和末端效应器是相互连接的，其中关节可以确保机械臂能够做三维空间 运动。图1.空间机械臂详细组成图： 2.空间机械臂机电一体化关节的设计 在设计机电一体化接头的过程中，首先要确保机电一体化接头具有传动，制动，驱动，驱动控制，温度信号采集，位置信号采集，速度信号采集和通信等功能。其次，要对机电一体化关节的重量和体积进行有效的控制。在满足机电一体 化关节功能需求的基础上尽可能的实现关节的小型化和轻量化。另外，由于宇宙 空间的环境较为特殊，机电一体化关节还应该具备较强的环境适应能力。在实际 的机电一体化关节设计过程中，首先，要根据实际的需求来制定出整体的设计方案。除了要重视前期的调研工作之外，还要科学合理的进行中心孔走线、传感器