为了搭建在轨组装的地面模拟实验系统, 设计了一种基于冷气推进、能够自由漂浮的三自由度自由飞行机器人模拟器, 并对模拟器的结构设计、气路系统、动力学建模和控制系统进行了研究。采用模块化设计对主体结构进行不同功能的分区, 并结合工作原理对模拟器的承载能力进行了分析和实验验证。然后, 采用部分解耦的方式对喷嘴进行了布置, 进一步设计了整个气路系统, 并对影响喷嘴推力的因素进行了理论分析和实验验证。最后, 采用牛顿-欧拉法建立了模拟器的动力学方程, 联合Simulink和Adams, 搭建了控制仿真模型并进行了运动仿真。实验结果显示, 模拟器能够承载800 kg以上的重量, 单方向上能够达到8 N的力, 整体运行时间能够达到30 min。模拟器对参考输入有很好的跟踪效果, 能够为超冗余模块化机械臂的地面实验提供可移动载体。

针对传统的蒙特卡洛法求解机器人工作空间时精确度不够的问题, 提出了一种改进的蒙特卡洛法。用传统的蒙特卡洛法生成一个种子工作空间, 基于标准差动态可调的正态分布对种子工作空间进行扩展。在扩展过程中设定一个精度阈值, 确保得到的工作空间中每个位置都能被准确的描述。基于得到的工作空间, 提出了一种体元化算法求取工作空间的体积, 寻找到工作空间的边界部分和非边界部分, 通过对边界部分的不断细化, 降低了体积求取误差。为了验证算法的有效性和实用性, 以九自由度的超冗余串联机械臂为例, 对本文改进的蒙特卡洛法和提出的体积求取算法进行仿真分析。结果表明: 采样点数量相同时, 改进的蒙特卡洛法生成的工作空间边界光滑, “噪声小”; 得到精确的工作空间时改进方法需要的采样点数仅是传统方法的4.67%; 体积求取算法效率较高, 相对误差小于1%; 求得的工作空间体积可用于评估机械臂性能, 为后续机械臂构型优化奠定了理论基础。