载人航天器柔性机械臂的动力学建模方法

空间机械臂在载人航天活动中有着迫切的应用需求。航天器尺寸、质量等因素的限制使得空间机械臂具有大柔性的特点。文章结合空间机械臂应用环境的特殊性,论述了空间柔性机械臂多体动力学和关节的动力学建模方法,分析比较了不同建模方法的特点。为了满足未来空间机械臂在航天器工程应用的要求,文章指出,空间柔性机械臂宜采用混合坐标法描述臂杆刚性运动与柔性变形的耦合;开展关节精细动力学研究,宜将重点放在齿轮传动系统的低速级上。     

柔性空间机械臂动力学模型

本文叙述三种柔性空间机械臂的动力学模型,它们的差异在于用不同的方法描述机械臂的弹性变形,即用有限元法、集中参数法和解析法。     

空间站宏微机械臂动力学建模与零反作用控制

为满足空间站宏微机械臂级联在一起运动的任务需求,文章提出一种简化的动力学建模方法。首先利用雅克比矩阵将柔性关节宏机械臂等效为柔性基座,根据柔性基座、刚性微机械臂以及两者之间的耦合作用推导出柔性基座机械臂动力学模型。基于机械臂系统的动力学冗余特性,采用零反作用运动控制法使柔性基座与微机械臂之间运动解耦。文中数学模型的仿真结果与商业软件一致,表明了柔性基座机械臂模型的正确性。另外,将零反作用轨迹跟踪控制法成功应用于该模型,使得微机械臂末端在跟踪期望轨迹的同时完全不会激起基座的弹性变形。     

考虑关节柔性的双连杆机械臂振动控制及实验研究

为了研究含有柔性关节的双连杆柔性机械臂的振动控制问题,采用绝对坐标方法对臂杆和关节进行建模,得到了刚柔耦合的双连杆机械臂动力学模型;对比研究了PD和LQR控制方法对柔性机械臂主动控制效果,针对柔性机械臂的实际工程需求,提出了一种LQR-PD联合控制策略,设计了相应的控制器并进行了仿真控制研究,同时结合搭建的双连杆柔性机械臂地面模拟平台进行了模拟实验。研究结果表明,该控制策略不仅能实现关节轨迹的精确跟踪,而且能有效抑制臂杆末端的残余振动,具有重要的工程价值和良好的应用前景。     

大型空间电站在轨展开与组装动力学与控制

针对大型空间电站在轨展开与组装过程中复杂的动力学环境，将桁架类大型空间电站视为一个刚柔多体系统，采用自然坐标法对刚性构件建模，基于绝对节点坐标方法描述柔性桁架结构，编写了一套动力学仿真软件，实现了大型空间电站在轨展开与组装动力学的精确仿真。仿真结果表明，采用摆线运动插值函数作为控制方程有利于提高多级展开过程的稳定性；在结构组装过程中，减小组装速度，增大组装机构阻尼系数与劲度系数，有利于提高结构稳定性。最终集成了一套针对大型空间电站的动力学仿真平台搭建方法，为大型空间电站在轨展开与组装动力学预示提供了理论依据和方法指导。     

机器人组装超大型结构的姿-轨-柔耦合动力学仿真

机器人空间组装是建造超大型航天器的重要方式。当前针对空间组装的研究大多集中于小型结构,没有考虑万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应的影响。本文针对主结构-空间机器人-待组装结构组成的系统,建立姿-轨-柔耦合动力学模型,研究万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应对组装过程的影响。首先,将空间机器人看作刚体,将主结构和待组装结构看作柔性体,分别采用自然坐标法和绝对节点坐标法进行运动学描述;然后,考虑刚体和柔性体的动能、万有引力势能和弹性势能推导系统的Hamilton方程,计入万有引力和万有引力梯度的影响;最后,通过轨迹规划和轨迹跟踪控制实现空间机器人空间组装超大型结构的姿-轨-柔耦合动力学仿真,给出组装过程中系统的轨道运动、姿态运动、空间机器人关节空间和笛卡尔空间、结构振动等动力学响应。研究发现:万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应对空间机器人的控制力矩和组装精度产生显著影响,在组装方案设计和控制系统设计中必须予以考虑。     

刚柔耦合状态下索杆式伸展臂多体动力学研究

索杆式伸展臂在展开过程中,其斜拉索存在大运动和大变形问题,运用传统分析方法进行仿真分析难度较大.文章基于非线性弹性理论的绝对节点坐标方法,描述了斜拉索的空间运动和变形,研究了横向框架在贮存段、消旋段、提升段和套筒外的动力学特性,实现了索-刚体组成耦合系统的多体动力学数值仿真.     

空间站机器人最小振动操作动力学控制

提出两种空间站机器人最小振动操作动力学方法。一种是利用空间站灵活操作臂的运动学“自运动”快速消除空间机器人大型柔性机械臂的残余振动，同时使灵活操作臂在工作时不产生使柔性大臂变形和振动的激振力。第二种方法是利用灵活操作臂与空间站和柔性大臂之间的动力学耦合零空间运动进行空间站机器人的无振动操作。推导出空间机器人系统的动力学方程，得到了柔性大臂和灵活操作臂间的作用力与机器人运动之间的关系，基于渐进稳定的控制方法实现机器人的控制，以安装在弹性基础上的平面四自由度机器人进行了仿真验证。     

复合柔性结构航天器动力学模型的混合坐标法建模研究

在中心刚体加柔性附件类航天器柔性动力学研究成果基础上,通过计及柔性体与柔性体连接点间的复合位移变形,利用混合坐标法建立了复合柔性结构航天器动力学模型,其软件系统DASFA2.0已初步用于工程分析设计。     

空间机器人动力学奇异回避的笛卡尔轨迹规划

针对空间机器人动力学奇异的回避问题，提出一种基于组合函数的笛卡尔轨迹规划方法。将梯形规划与正弦函数相结合，对机械臂末端的位姿进行参数化。机械臂沿着某一轨迹运动时，根据阻尼最小方差法(DLS)的特点，提出一种判断是否发生动力学奇异的方法，并据此进行轨迹规划。该方法可以保证空间机械臂运动过程中不会遇到动力学奇异。此外，将基座姿态扰动和机械臂运动时间作为目标函数的一部分，最终，轨迹规划问题转化为多目标优化问题，并利用混合整数规划的混沌粒子群优化算法(CPSO)进行求解。该优化算法能够改善标准粒子群算法(PSO)的“早熟”现象。仿真结果表明，新方法能够有效处理动力学奇异问题，减小基座姿态扰动及运动时间。     

空间机械臂辅助深层采样阻抗控制策略

针对空间机械臂辅助深层采样任务中的建模与控制问题,基于刚体李群SO(3)方法对机械臂进行建模。通过梯形规划对机械臂进行轨迹规划,采用阻抗控制方法控制机械臂运动。推导了李群SO(3)模型下机械臂关节空间与末端笛卡尔空间之间的雅可比矩阵,并且得到了两个空间的相互转换关系。采用锥互补方法计算采样机械臂与复杂接触面的碰撞力,并基于非光滑算法求解锥互补条件与系统动力学方程。通过对比位置控制与阻抗控制,证明了阻抗控制在实际应用过程中能够更加柔顺地控制机械臂与接触面进行接触。通过对控制参数进行调整,探究了不同控制参数对机械臂控制的影响,优化得到了合适的控制参数,从而能控制机械臂辅助完成深层采样的任务。     

空间机械臂的刚-柔耦合动力学研究

本文对作大范围运动的空间机械臂的刚-柔耦合动力学特性进行了研究，从连续介质力学理论出发，在变形位移中计及了耦合变形量，用Jourdain速度变分原理导出了作大范围运动的空间机械臂的动力学方程，分别用耦合模型和不计耦合变形量的零次近似模型计算了机械臂端点的变形位移，揭示了两种模型的动力学性质的差异。为了确定零次近似模型的适用范围，引入相关系数，仿真计算结果表明，零次近似模型仅适用于相关系灵敏的最大值小于0.1的情况。     

空间机械臂非完整运动规划的遗传算法研究

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时，系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统。由于非完整约束的不可积性，非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多。现利用非完整特性研究了自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动控制问题。首先导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型，并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。在运动规划中，根据最优控制原理和优化理论，提出基于遗传算法的最优运动规划数值算法。通过数值仿真，表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的。     

基于等效质量的太空机械臂多体系统碰撞分析

从等效质量角度出发,针对不同的操作环境,提出多体系统离散碰撞动力学建模及连续碰撞动力学建模方法,并分析碰撞对系统造成的影响。首先,由系统动力学方程及能量方程推导出太空机械臂末端等效质量,在此基础上,针对刚/柔环境,分别建立多体系统离散碰撞动力学模型和连续碰撞动力学模型,并针对七种连续碰撞模型提出选取标准,以便更真实地模拟实际碰撞过程。最后,以典型的太空七自由度机械臂为例开展仿真试验,两种方法的对比结果校验了该算法的正确性。     

冗余空间机械臂抓捕自旋卫星后的消旋控制

旨在提出一种运动学冗余空间机器人抓捕自旋卫星后的消旋策略和协调控制方法。首先，给出运动学冗余空间机器人捕获目标后的动力学模型，作为协调控制器设计基础。然后，基于四阶Bézier曲线和满足特定约束的自适应微分进化(Differential Evolution, DE)算法提出抓捕后的最优消旋与路径规划策略，最优消旋策略中同时考虑对消旋时间和控制力矩进行优化。提出一种跟踪所设计参考轨迹的协调控制方法，调整基座的姿态达到期望值。所提方法有效地衰减了自旋卫星的初始角速度，同时实现对基座姿态的控制。文末给出利用7 DOF冗余空间机械臂消除目标自旋运动的仿真结果，表明所提方法的有效性。     

双连杆柔性机械臂的动力学仿真

基于柔性杆件的有限段模型，利用Lagrange方程建市了包含刚性支座的双连杆柔性机械臂的刚、柔混合多体系统动力学模型并完成了系统的动力学仿真。仿真结果表明，有限段方法用于处理含柔性杆件的多柔体系统动力学问题是行之有效的，既可在宏观层次上模拟各柔性臂的大范围刚体运动，又可在微观层次上模拟各柔性臂的弹性振动，能够准确地反映此类系统刚柔耦合运动特性。     

柔性绳网动力学建模与天地差异性分析

采用有限元模型研究了柔性绳网系统的动力学特性。针对空间绳网直接弹射展开方式,首先将绳网离散为若干单元,各单元处理为非线性“半阻尼弹簧”模型,然后分别计算各单元所受气动力和重力,最终建立绳网系统多柔体动力学模型。基于所建立的动力学模型分别对柔性绳网在地面和太空展开的动力学过程进行了仿真分析,研究了绳网在展开面积、空间位形和飞行距离等方面的天地差异性及其动力学机理,为未来空间绳网系统的分析设计提供理论参考。     

带有柔性补偿的柔性关节空间机器人的增广自适应控制及关节振动抑制

The problems of joint motion control and flexible vibration suppression of a flexible joint space based robot for manipulating an unknown payload are studied. Based on the system linear momentum conservation and the Lagrange method, the under actuated dynamics model of the space robot is established. For convenience of the design of its control system, the system is divided into both fast and slow subsystems by using the joint flexibility compensation technique and the singular perturbation theory. A torque differential feedback controller is proposed for the fast subsystem to suppress the joints’ flexible vibration, meanwhile an adaptive control scheme based on the augmentation approach is designed for the slow subsystem to realize the joint trajectory asymptotic tracking under the condition of unknown payload parameters. Because of introduction of the flexibility compensation technique, the presented control scheme can equivalently increase the joint stiffness, and it is suitable to control the space robot systems with low joint stiffness. Moreover, the effect of unknown parameters is real time compensated by its adaptive controller, and then the specified joint motion task is achieved precisely. The effectiveness of the scheme is verified by the corresponding simulation results.