弹性空间机械臂动力学与控制

安装在航天器上的空间机械臂为轻质细长杆，固有的结构弹性对系统动力学及控制有明显的影响，它不仅影响抓手的工作精度，还可能导致载体一机械臂整个系统失去稳定性[1]．因此，对弹性空间机械臂系统的动力学与控制问题必须加以深入研究．地面固定基座多杆弹性机械臂动力学、逆动力学及控制问题已有许多研究，如Gawronsld等[2]在假设杆件弹性小变形、转动角速度比其固有频率小得多以及刚、弹性模型非线性项相同的前提下，得到控制方法．Cehnkunt等[3]导出了可忽略结构弹性的控制器带宽，以及自适应控制算法可实现的工作区间．文献[4，5]讨…     

任务空间内空间机械臂的自适应控制

对于本体资态受控而位置不受控的空间机械臂系统,在任务空间内给出了一种自适应控制算法;证明了当系统存在参数不确定时,该算法不但可以保证末端执行器任务空间内位置轨迹跟踪误差的渐近收敛,而且还可保证关节空间内角偏差及角偏差速率的渐近收敛;仿真结果验证了算的有效性。     

空间多体系统轨道姿态及机械臂一体化控制

针对在轨服务等新型任务对航天器快速机动能力的大幅提高,研究了卫星基座和机械臂构成的空间多体系统的轨道、姿态和机械臂的一体化控制设计问题。首先,建立了空间多体系统的动力学模型;然后,基于退步控制思想,设计了卫星基座、姿态与机械臂一体化控制器,并证明了系统的稳定性,由于利用了空间多体系统的所有自由度,相比传统的基座停控或只控制基座姿态而轨道停轨的方法,极大地提高了系统的适应能力,可同时实现空间大范围的轨道转移、姿态机动,同时利用机械臂对目标进行精确操作控制。通过建立完整的空间多体系统仿真模型,对控制器进行仿真,达到了同时进行轨道、姿态及机械臂末端机动的控制目的,并验证了所提方法的有效性。      

参数不确定空间机械臂系统的变结构鲁棒控制

本文讨论载体位置与姿态均无控的空间机械臂的控制问题．基于增广静态反馈控制模型,提出当载荷参数存在不确定性时空间机械臂追踪惯性空间期望轨迹的变结构鲁棒控制方法．通过仿真运算,证实了方法的有效性．     

面向未知环境的空间机械臂自适应阻抗控制研究

针对空间机械臂与环境接触时环境刚度和阻尼会发生突变或渐变情况下的柔顺控制问题,提出了一种阻抗参数可根据环境自适应改变的控制方法.利用最小二乘法,对空间机械臂接触的环境阻尼与刚度进行在线估计.通过分析空间机械臂与环境接触时的系统特性,推导了环境与机械臂看作一体的二阶系统,并由二阶系统的响应特性提出了阻抗参数随环境自调整的自适应方案.最后以平面2自由度机械臂为对象进行了数值仿真,相较于传统阻抗控制方法,所提出的自适应阻抗控制在力控制精确性、减小最大接触力和适应不同接触环境上有一定的优势.     

一类空间机械臂的复合自适应控制

对于本体姿态受控而位置不受控的空间机械臂系统,其自适应控制通常是从跟踪误差中获取有关参数信息。但除了跟踪误差外,估计误差中也含有参数信息。该文首先分析了一类空间机械臂系统的动力学特性,建立了系统的估计模型;提出了一种复合自适应控制方法,其参数适应律由估计误差和跟踪误差共同决定;证明了这种自适应方法不仅可维持自适应控制系统的全局稳定,而且还可快速收敛和减少跟踪误差。仿真结果也验证了这一特点。     

柔性关节自由漂浮空间机械臂递推自适应控制

针对柔性关节自由漂浮空间机械臂,在存在动力学参数不确定性的情况下,通过增加相对阻尼项,提出基于无源性的柔性关节自由漂浮空间机械臂的关节空间自适应控制器,然后得到其递推实现.递推自适应算法由两部分组成:一部分实现所需的机械臂控制力矩的递推,另一部分实现航天器参考速度和参考加速度的递推更新.针对六自由度柔性关节自由漂浮空间机械臂进行了仿真,验证了所设计的递推自适应控制算法的性能.     

空间机械臂地面仿真与测试系统设计

摘要： 根据某型号搭载的七自由度空间机械臂的测试任务,设计一套空间机械臂地面仿真与测试系统.该系统可以完成两方面的功能：一是利用空间机械臂模拟器进行半物理仿真,对空间机械臂控制线路盒的电接口和控制软件功能进行测试;二是采用吊丝卸载装置对空间机械臂真实产品进行全物理试验,对在轨任务进行地面演示验证.利用所设计的测试系统已经完成了某型号空间机械臂的地面测试与演示验证任务,目前该型号已经发射成功,空间机械臂已经成功完成在轨试验.所设计的空间机械臂地面仿真与测试系统具有较好的通用性和扩展性,可以应用于其他空间机械臂产品的地面测试.     

基于改进神经网络的空间机械臂阻抗控制方法

针对环境信息不确定和碰撞模型未知情况下的空间机械臂柔顺控制问题,提出了一种基于改进型神经网络的阻抗控制方法.以空间机械臂阻抗控制系统闭环方程为基础,分析了环境信息不确定和碰撞模型未知情况下不能实现精准力控制的原因.利用粒子群优化算法调整神经网络中的权值矩阵,以提高神经网络的收敛速度和寻优性能.基于改进后的神经网络设计阻...     

机械臂的动态混合控制

本文研究当机械臂的终端受有约束时的控制问题,文中应用了动态混合控制方法。其中心内容是给出关于“任务规范投影算子”的概念。利用它首先将机械臂的动态方程解耦为两组方程,它们分别描述了运动与约束反力。在此基础上给出了机械臂的控制律,使闭环系统跟踪期望的速度与约束反力。     

基于PWM的气动软体空间机械臂压力控制系统

针对气动软体空间机械臂的压力控制需求,提出了基于PWM的软体臂压力控制技术。设计了气动软体空间机械臂的气动系统结构,并建立了各部分的数学模型。根据开关阀和PWM控制的特性,提出了基于零位补偿和双阀同步脉宽调制(PWM)的软体臂压力控制系统结构,并阐述了各部分设计方法。利用Python建立了整个系统的仿真模型,并将仿真结果与实验结果进行了对比,对比结果表明,模型具有一定的准确性。对该压力控制系统进行了正弦跟踪实验,实验结果表明该系统可以进行低频跟随,能够满足气动软体空间机械臂的压力控制需求。     

柔性机械臂辅助空间站舱段对接阻抗控制

空间机械臂辅助舱段对接过程中存在测量与控制误差,易导致对接机构间存在较大接触力,传统FMA (Force MomentAccommodation)控制方法在测量接触力时无法消除大负载惯性力对测量的影响,且测量仪器的引入会进一步降低空间柔性机械臂的刚度。为此,文章提出了柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制方法,采用拉格朗日法推导了空间机械臂的关节输入力矩方程作为前馈输入,建立了含动力学前馈的空间机械臂阻抗控制程序,并以在商业软件ADAMS中建立的空间柔性机械臂与对接舱段组成的系统动力学模型作为控制对象,对系统进行ADAMS灢Matlab联合仿真。仿真结果表明,按照此控制方法,系统可克服外力干扰使目标解析点按照期望的方式运动;同时,通过测量机械臂关节运动参数即可实现对外力的准确感知,而不需额外添加力传感器,既消除了大负载惯性力对测量的影响,也不会导致柔性机械臂刚度的降低。     

基于Smith预测控制的空间机器人遥操作研究

基于无源性理论分析机器人时延双向遥操作不稳定的原因.为保证系统稳定,提出一个结合Smith预测控制与在线修正环境参数的控制策略.针对机器人接触性操作任务中环境模型参数的辨识,通过拉弹簧试验给出了在线辨识方法,并对提出控制策略的稳定性和透明性进行仿真分析.完成了机器人在时延条件下拉弹簧遥操作试验,结果表明在结构化环境中所提出的方法可以提供操作者较好的透明性.     

漂浮基空间机械臂姿态、关节协调运动的模糊小波神经网络控制

讨论了本体姿态受控、位置不受控制的漂浮基空间机械臂系统协调运动的动力学控制问题. 根据系统位置几何关系、动量守恒关系和第二类拉格朗日方程, 建立漂浮基空间机械臂系统的动力学方程. 在此基础上, 针对系统参数未知的情况, 设计了一种采用小波基函数作为模糊隶属度函数的模糊神经网络控制器, 以控制空间机械臂的本体姿态和机械臂两关节铰协调地完成各自在关节空间的期望运动. 其特点是不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系, 甚至不需要知道系统参数;而且网络权值是采用反向传播算法根据误差进行在线学习, 使模糊神经网络获得更强的自学习和自适应能力, 同时也节省了离线学习的时间. 系统数值仿真的结果证实上述控制方案是行之有效的.     

空间科学实验地面支持系统平台

相对于其他空间任务, 空间科学实验具有用户分散、实验进程控制 (遥科学实验)要求实时或准实时、多种类型空间科学数据处理要求等特点. 针对空间科学实验的特点和对地面支持系统的要求, 结合实践八号卫星(SJ-8)、探测双星(TC-1, TC-2) 和神舟系列飞船(SZ) 的空间科学实验地面支持系统的任务完成情况, 以及未来空间科学实验任务的需求, 提出了地面支持系统平台的构架设想. 该系统平台支持空间科学实验的状态监视与控制, 支持遥科学实验, 能够支持空间科学实验数据标准产品的定制处理, 满足空间科学实验多任务的要求, 具有通用性和可扩展性.     

空间机械臂间隙影响分析

摘要： 为考察关节间隙和柔度对机械臂动力学行为的影响,分别建立平面二自由度和空间7自由度的机械臂刚柔耦合模型,应用ADAMS 软件采用间隙铰非线性弹簧阻尼模型,考虑臂杆柔度和间隙对动力学性能的影响,对两种机构进行动力学仿真分析.分析结果表明：臂杆柔度对位移影响较小,但角速度、角加速度曲线随柔度增加波动显著增大;由于间隙的存在,关节碰撞导致机械臂运动精度、角速度与角加速度随间隙显著增大.     

空间站机械臂转位系统动力学建模及特性分析

为分析空间站在应用机械臂转位过程中的动力学特性,采用矢量力学方法推导了考虑偏心量的空间站转位系统动力学模型.使用有限元方法描述柔性臂的弹性变形,应用Newton-Euler法建立空间站机械臂转位系统转动方程,并采用Lagrange法建立柔性臂振动方程;针对柔性机械臂末端带有大负载的特点,将末端弹性变形引起的负载角速度从负载绝对角速度中分离,应用约束模态展开法对动力学方程进行降阶.提出了构造降维矩阵的方法以便于利用空间动力学模型研究机械臂平面转位问题;分析了空间站舱体转位过程中系统的转动惯量、偏心量发生变化的特性.数值仿真结果表明:空间站在转位过程中,系统总体相对于系统质心的转动惯量变化巨大,且偏心量变化范围甚至已超出了空间站核心舱的几何范围.结论可为空间站的控制系统设计提供理论参考.     

空间实验室天地一体化故障诊断技术研究

航天器故障诊断不仅可以提高航天器安全性和可靠性，而且可以节约航天器安全寿命期成本。文中详细阐述了空间实验室天地一体化故障诊断系统方案。整个故障诊断体系由在轨诊断系统和地面诊断系统组成，在轨诊断系统具有部分自主诊断能力，地面诊断系统又分为系统级故障诊断和分系统级故障诊断。强调了基于模型推理技术(特别是多信号建模技术)在空间实验室天地一体化故障诊断系统中的重要性；最后指出了当前需要深入研究的建模技术及故障诊断系统的组件化和网络化等关键技术。     

控制力矩受限情况下漂浮基空间机械臂基于饱和速度滤波器的自适应控制方法

讨论了控制力矩受限且系统参数不确定情况下, 载体位置不受控、姿态受控 的漂浮基空间机械臂系统的智能控制问题. 运用系统动量守恒关系和拉格朗 日方程建立系统的动力学方程. 针对控制力矩受限和机械臂末端爪手所抓持 的载荷参数不确定的情况, 设计了一种基于饱和速度滤波器的自适应控制方 法. 该控制方法运用自适应调节规律有效地克服了系统不确定参数对控制精 度的影响; 运用双曲函数限制控制力矩的幅值大小, 使其更符合空间实际的 要求. 此外, 速度滤波器的运用使得在控制过程中不需要测量和反馈系统的 速度信号, 从而使得控制更加简单易行. 仿真结果证明了所提出控制方法的 有效性.