题目：空间蛇形机械臂动力学与控制技术研究

随着航天技术的发展，空间环境变得越发的恶劣，航天器愈发的庞大而复杂，针对操作空间受限的航天器部件更换，维护和服务等是未来空间操控技术的重要发展方向，基于空间机械臂的在轨服务技术对机械臂性能和可靠性要求不断提升。传统空间机械臂任务空间小，冗余度低，灵活性小，耗能大，不适合精细操作。此外，服务航天器小型化特点使得机械臂与基座航天器的耦合作用变得更加明显，基座航天器携带燃料有限，姿态控制系统输出力矩有限，为了延长服务航天器在轨服务时间，减小机械臂运动对基座干扰从而节省燃料就显得尤为重要。空间蛇形机械臂概念为解决这一难题提供了契机，有望在空间环境约束情况下极大地提高其机械性能，同时空间蛇形机械臂的强冗余性也为机械臂和基座运动的解耦提供了可能性。本论文结合在轨服务技术，从运动学、动力学和控制的角度出发，研究了空间蛇形机械臂的动力学与控制问题。

采用空间算子代数方法，给出了算子形式的正向动力学算法，针对欠驱动系统给出了正反向混合动力学算法。通过与Matlab/SimulinkSimMechanics工具包计算结果对比，证明了算法的正确性，同时验证了计算量与机械臂自由度呈线性递增关系。

基于动量守恒假设，分析了机械臂运动与关节运动的耦合特性，从基座反作用力和基座姿态运动响应的角度分别给出了关节运动的零反作用解，针对末端执行器在任务空间中的轨迹跟踪问题，给出了四种确定零反轨迹跟踪解的方法。这部分内容与动力学建模部分共同构成了全文的基础。

从两个方面分别对空间蛇形机械臂的路径规划问题展开研究。第一，考虑蛇形臂的超冗余特性，将蛇形臂近似为连续曲线，提出了一种基于几何算法的平面路径规划方法。该方法将运动空间按约束划分空间，基于连续曲线理论，采用模态法对自由段和约束段分别设计不同的曲率函数，根据终端约束确定曲率函数方程。为了与实际模型匹配，对连续模型进行了离散化，将问题转化为求解带约束的极值问题。第二，从机械臂零反作用运动出发，设计了蛇形机械臂基座零反作用最优路径规划算法，以零反解作为约束方程，求解了时间最优和沿轨迹加速度最小的最优解。仿真算例验证了算法的有效性。

设计了空间蛇形臂抓捕非合作目标过程中的控制算法，针对不确定系统设计了初始角动量不为零的自适应零反作用控制律，控制律设计过程中考虑了最大关节角约束，在仿真过程中利用碰撞动力学确定了碰撞结束后系统的状态。针对稳定后组合体控制问题，设计了零反轨迹跟踪控制器。

讨论了非合作目标惯性参数辨识的问题。基于动量守恒原理，得到了关于未知惯性参数的估计方程，考虑量测矩阵和测量向量中存在未知的线动量和角动量参数，提出分步估计法，采用增量形式的辨识方程以消去常值未知量，将自适应控制输入作为激励，先后完成对质量，质心位置和转动惯量的辨识，仿真结果证明了算法的快速性和收敛性。