摘 要

自从人类开展航天活动以来，越来越多的航天器报废后成为空间垃圾，以报废卫星为主，占据了珍贵的轨道资源，对人类正常的太空探索活动带来了很大的麻烦，因此清理太空垃圾并保护轨道资源已势在必行。另一方面，宇航员若要进行清理任务，会面临舱外作业耗时较长，执行任务的效率低、成本高等问题，故而机器人将是清理太空垃圾的首选。本文以空间垃圾为对象，利用Pro/E建立机器人的三维模型，对其进行运动学分析，实现对空间垃圾捕获任务的仿真，主要开展了以下研究工作：

（1）面向空间垃圾捕获任务的三维建模。针对空间垃圾捕获任务的要求，分析捕获场景内的机械臂、空间垃圾及空间环境等的特性，利用Pro/E等三维建模软件建立机械臂、空间垃圾及空间环境的三维模型。

（2）六自由度机械臂运动学分析。针对六自由度多关节机械臂，利用机器人的运动学物体位姿描述、齐次变换矩阵等方法进行机械臂的运动学分析。利用Denavit-Hartenberg分析法对机械臂的构型进行分析并进行机械臂的正反求解，利用MATLAB的机械臂工具箱验证机械臂的正反解，建立机械臂的运动学数学模型，并由此分析机械臂的可达空间等特性，为空间垃圾捕获任务提供准确的机械臂运动学数据。

（3）空间垃圾捕获任务仿真。利用OSG图形开发包进行三维场景仿真，在VS QT开发环境进行编程，建立整个基于机械臂的空间垃圾捕获仿真平台，并对捕获空间垃圾的过程进行仿真。

关键词：机器人；机械臂正反解；仿真平台；OSG

Abstract

Since the launch of the man-made satellite, more and more satellites have become orbital garbage after being scrapped, occupying precious orbital resources and causing great trouble to human beings' normal space exploration activities. Therefore, it is imperative to clean up space debris and protect orbital resources. On the other hand, if astronauts want to clean up the space, they will face the problems of long time, low efficiency and high cost of operation outside the spacecraft, so robots will be the first choice to clean up the space junk. This article takes space garbage as the object, uses Pro / E to build a three-dimensional model of the robot, analyzes it kinematically, and realizes the simulation of space garbage capture task，this paper mainly carried out the following research work:

（1）Three-dimensional modeling for space garbage capture task. According to the requirements of the space garbage capture task, the characteristics of the robot arm, space garbage and space environment in the capture scene were analyzed, and the 3d modeling software such as Pro/E was used to build the 3d model of the robot arm, space garbage and space environment.

（2）Kinematic analysis of six degree of freedom manipulator. Aiming at the six-degree-of-freedom (dof) multi-joint manipulator, the kinematics analysis of the manipulator is carried out by means of kinematic object pose description and homogeneous transformation matrix. Using Denavit-Hartenberg - analysis method analyze the configurations of mechanical arm and carries on the positive and negative solution of mechanical arm, is validated with the mechanical arm toolbox of MATLAB positive and negative solutions of mechanical arm of mechanical arm kinematics mathematical model is established, and the analysis of the mechanical arm can reach space features, for the space junk provide accurate manipulator kinematic data capture task.

（3）Space garbage capture task simulation. Using the OSG graphics development kit for 3d scene simulation, programming in the VS QT development environment, the whole space garbage capture simulation platform based on the robot arm was established, and the process of space garbage capture was simulated.

Key Words：Robot; Forward Kinematics and Inverse Kinematics of the manipulator arm; Simulation platform; OSG

目录

第1章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国外研究现状 1

1.3国内研究现状 2

1.4课题研究的目的及意义 3

第2章 空间垃圾捕获任务的机器人三维建模 4

2.1 任务场景的描述 4

2.2 捕获任务过程 4

2.2.1 远距离导引 4

2.2.2 机械臂伴飞 5

2.2.3 平移靠拢 5

2.2.4 捕获目标 6

2.3 机器人模型 7

2.4 仿真场景模型 11

第3章 六自由度机械臂运动学分析 13

3.1机械臂位姿描述 13

3.2机械臂正运动学 20

3.3机械臂逆运动学 21

3.4 MATLAB建模 22

第4章 空间垃圾捕获任务仿真 24

4.1 概述 24

4.2 VS QT OSG环境搭建 24

4.3空间垃圾捕获任务仿真平台建立 29

4.3.1 空间垃圾捕获任务仿真平台界面的设计 29

4.3.2机械臂运动学正反解功能模块 30

4.3.3空间垃圾捕获任务仿真环境导入 31

4.3.4机械臂位姿调整模块 33

4.3.5空间垃圾捕获任务仿真模块 33

4.3.6空间垃圾捕获任务规划模块 35

第5章 结论和展望 38

5.1全文总结 38

5.2工作展望 38

参考文献 39

致谢 41

第1章 绪论

1.1课题背景

自人造卫星发射以来，人类一直在进行各种类型探索太空的活动，每年发射大量航天器，导致卫星和空间站的数量不断增加。除去正在正常运行的卫星之外，很多都已经报废，成为了太空垃圾。其中有因为各种原因报废的人造卫星、火箭残骸，宇航员遗失物等。这些垃圾将在太空中飘荡，占据了本该是正常卫星的运行的轨道，而且这些太空垃圾若是相撞，还会破碎产生更多的太空碎片。当空间碎片的密度达到一定水平时，就会发生凯斯勒现象，此时地球上所有的航天器都将在短时间内被破坏，这将导致近地轨道充满空间碎片。太空活动不能在其中进行。因此，迫切需要进行空间碎片清除和轨道资源保护。另一方面，通过建造大型和超大型空间站，太阳能发电站和空间望远镜，空间探索的范围和形式将继续加深和丰富。如果依靠宇航员完成它，将面临巨大的危险，并且在机舱外度过的时间将很长。执行任务的效率低，成本高。使用机器人来完成这些任务可以克服上述问题。

事实上，每天几乎都有大量航天器的碎片掉入大气中被分解掉，这种情况下太空碎片基本上不会对人类构成威胁。真正危险的太空垃圾是空间碎片或轨道碎片，指的是除工作中的航天器以外的太空中所有的人造物品，包括航天器发射过程中产生的碎片，航天器在太空运行时掉落的太阳能板和表面的油漆块等等。这些碎片在地球轨道上无规律的做着高速运动，若是两块碎片相撞了，相对速度可以达到惊人的10 km/s以上。