面向空间太阳能电站在轨装配的爬行机器人关键技术

提出一种可在薄膜和桁架表面爬行的足式机器人，以完成对空间太阳能电站由薄膜 桁架模块在轨组装。机器人系统由操作工具搭载平台、压电驱动式多关节腿、微结构修饰附着足等组成。在此基础上，基于仿生理论，对自然界具有高攀爬能力的生物足端微结构进行了分析与仿真，并结合桁架的杆类结构和薄膜的柔性结构的特点，开展了机器人微结构修饰足特性的附着特性研究。利用离散元 多体动力学耦合仿真平台，对机器人在桁架结构和薄膜结构上的爬行过程进行了仿真研究，为爬行机器人的运动控制提供了依据。通过上述研究，验证了利用爬[JP2]行机器人系统实现薄膜 桁架模块在轨操作与组装的方案可行性，为空间太阳能电站在轨装配任务提供了技术储备。[JP]     

空间细胞机器人系统关键技术及其应用

针对传统空间操控装置难以适应未来大型空间设施在轨建设的问题,提出一种能够实现多层次自重构的空间细胞机器人系统,并对其概念体系以及设计理念进行了分析。介绍了空间三角桁架装配场景下的空间细胞机器人系统硬件设计。提出了空间细胞机器人系统关键技术,包括多智能体协同不确定行为规划、多层次机器人系统构型决策、多智能体协同无环境地图自主导航以及多智能体分层协同分布式控制等。最后结合空间细胞机器人系统的特点与优势,对其应用前景进行了展望。     

机器人在轨构建空间桁架结构的装配序列规划方法

针对机器人在轨构建空间桁架结构的装配序列规划问题，提出一种可同时求解装配单元装配序列与机器人运动的序列规划方法。首先设计了装配机器人并建立了动力学模型；其次，对机器人在整个装配过程中的运动进行了分类并分别给出了规划与控制方法；然后，建立了装配序列规划的评价指标并采用离散粒子群算法求解。最后，以常用空间桁架结构为例，通过仿真校验了所提方法的有效性。     

基于角动量守恒的空间机器人动力学参数辩识

空间机器人由于加工、装配误差以及在轨燃料消耗等因素使其名义公称参数与实际 动力学参数相比存在一定的误差。空间机器人路径规划和地面机器人不同,其广义雅克比 矩阵包含动力学参数,使计算的轨迹偏离实际要求的路径,引起末端位姿误差。本文根 据自由飘浮空间机器人的角动量守恒方程式,对一种两自由度空间机器人的基座以及机械臂 的各个关节分别单独做三次多项式轨迹激励,利用基于偏差模型的最小二乘法和遗传算 法对动力学参数进行辨识。仿真结果表明,遗传算法的计算稳定性和对动力学参数辩识精 度优于最小二乘法。〖JP〗     

空间黏附足式爬行机器人的稳定性判据及蠕动步态

面向空间在轨服务任务中的黏附足式爬行机器人应用需求,提出一种通过足端和腹部黏附实现爬行的机器人构型,分析了空间黏附足式爬行机器人的稳定性原理,推导了一种以机器人黏附和脱附力矩平衡为稳定条件的空间黏附足式爬行机器人稳定性判据。在此基础上,分析得出空间黏附足式爬行机器人3+1步态的不稳定性,并规划了一种适用于黏附足式爬行机器人在空间微重力环境下的稳定行走步态,即蠕动步态。最后,通过仿真验证了所提出的空间黏附足式爬行机器人稳定性判据及所规划蠕动步态的有效性。     

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。     

一种不平整地形下足式机器人的主动柔顺控制方法

为实现足式机器人在不平整地形下的稳定行走,提高机器人对不平整地形的适应能力,提出一种主动柔顺控制方案,包括基于关节空间的主动柔顺控制、机身姿态柔顺控制和关节PD控制。根据足式机器人运动学模型设计平地步态,作为机器人不平整地形下前进的主步态;通过采用基于关节空间的主动柔顺控制方法和机身姿态柔顺控制方法,生成关节角度和角速度修正量,进而得到腿部关节跟踪指令;利用虚拟样机技术对多种地形进行仿真,仿真结果表明采用提出的主动柔顺控制方法提高了机器人对不平整地形的适应性。     

机器人动态受力感知及零重力运动模拟技术

针对航天器在轨服务任务的地面零重力模拟需求，研究基于工业机器人的零重力运动模拟技术。建立基于BP神经网络的受力感知预测模型，该模型采用机器人末端姿态、加速度、角速度和角加速度作为输入层参数，采用机器人末端六维力传感器数据作为输出层参数，实现了对机器人末端负载的高精度动态受力感知。设计正交试验方法确定机器人的运动路径点进行样本数据采集，实现了受力感知预测模型对机器人全工作空间的覆盖。进一步，基于对机器人末端负载的受力感知数据，应用动力学理论计算负载在失重状态下的运动速度，并控制机器人执行相应的运动，实现了对机器人末端负载的零重力运动模拟。     

空间机械臂关节故障引起速度突变的抑制

针对空间机械臂关节发生故障后的末端速度突变问题,提出一种基于退化雅克比矩阵的突变抑制方法。首先利用旋量理论建立空间机械臂的通用运动学模型,然后通过重构数学模型和调整控制模型与运行参数,引入补偿项,实现模型重构和在线调整中的平滑特性。并且开展了机械臂正常运行、故障运行和故障后抑制运行这三种工况下的控制仿真。结果表明,此方法对于实现单关节故障状态下机械臂末端速度突变抑制是有效的,对提高任务完成的连续性能力和降低故障影响具有重要的在轨应用意义。     

基于主动光学的大型空间相机像质校正仿真

针对大型空间相机在轨像质受空间环境影响严重的问题,文章提出利用基于出瞳变形镜的主动光学技术,对大型空间相机在轨波前像差进行校正,以保证成像品质。文章基于主动光学技术原理、光学表面误差表征方法和变形镜数学模型,建立了大型空间相机像质校正全链路仿真模型,并利用有限元分析软件、光学设计软件ZEMAX与编程软件MATLAB,完成了相关仿真实验;对在轨特定工况条件下大型空间相机像质的退化程度和基于出瞳变形镜的主动光学技术的校正能力进行了分析。实验结果表明:经校正后的像质满足设计要求,为基于主动光学的大型空间相机像质校正技术提供了工程应用参考。     

变拓扑多臂航天器高效统一动力学建模

针对多臂航天器在轨操控过程中可能存在的多链、闭环、环链混合等多种拓扑构型及相应的动力学模型变化,提出基于空间算子代数理论(SOA)的高效统一动力学建模方法。首先,提出了描述多臂航天器部件连接关系的构型参数,并基于构型参数提出了多臂航天器拓扑构型描述矩阵的自主生成方法。其次,基于空间算子代数理论,将通路矩阵与空间转移算子相结合,提出了变拓扑多臂航天器统一动力学建模方法。最后,将数值仿真结果与多体动力学仿真软件的仿真结果进行比对,验证所提方法的有效性。仿真结果表明,对于不同的拓扑结构,所提出的O(n)阶统一动力学建模方法能准确描述变拓扑情况下的多臂航天器动力学响应。     

空间机器人抓捕目标后动力学参数辨识研究

针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。     

自由漂浮空间机器人末端轨迹优化跟踪控制

针对自由漂浮空间机器人(FFSR)末端轨迹跟踪优化控制中惯性参数不确定的问题,基于状态依赖Riccati方程（SDRE）,提出一种采用标称SDRE控制器与补偿SDRE控制器相结合的组合优化控制器,通过SDRE基本理论及李雅普诺夫方法证明了控制方法能够实现系统跟踪的能量优化和渐近稳定,实现了FFSR在广义雅克比矩阵非奇异条件下的末端轨迹优化跟踪控制。数值仿真表明,控制器能够实现对于期望末端轨迹的有效跟踪。     

一种改进阻尼倒数的空间机器人避奇异算法

针对自由漂浮空间机器人运动规划过程中存在的动力学奇异问题,提出一种动力学奇异转化加改进阻尼倒数的奇异回避算法。首先,通过运动学分解,间接求解机器人逆运动学方程,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,以实现奇异参数的分离;然后,采用改进的高斯分布阻尼因子的阻尼倒数代替奇异参数的普通倒数,回避运动学奇异的影响。与现有阻尼倒数方法相比,提高了算法在奇异点附近的连续性,进一步减小了算法带来的跟踪误差。在PUMA类型空间机器人模型上进行仿真试验,校验算法的有效性。     

基于轨迹规划的自由漂浮空间机器人抓取运动物体的研究

针对空间机器人非完整性和冗余性，对笛卡空间下的轨迹规划问题进行了研究。在此基础上，分析了空间机器人抓取运动物体的策略，提出了基于轨迹规划的空间机器人路径规划方法，并以三自由度空间机器人为例，对空间机器人抓取运动目标体的问题进行了研究，该方法是开环控制方法，但由于在进行轨迹跟踪过程中，误差不累积，得到的实际曲线与理论曲线相近，误差达到了规定的范围。     

考虑重力影响的柔性关节空间机械臂任务空间神经网络控制

针对柔性关节空间机器人地面模拟及空间应用受到重力或微重力不确定项干扰的问题,提出一种基于奇异摄动的任务空间神经网络自适应控制算法。首先建立了考虑重力影响的柔性关节空间机器人的模型,通过奇异摄动方法将系统降阶处理后,转换到任务空间进行控制器的设计,利用神经网络自适应算法对系统的不确定性进行逼近,并针对逼近误差设计了鲁棒控制器补偿,最后将控制量转换为关节空间的控制力矩。对系统进行了稳定性分析和仿真校验,结果表明,控制器可以解决柔性带来的系统高频谐振和失稳问题,并能有效抵抗系统扰动,具有很好的跟踪性能。     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

任务空间内空间机器人鲁棒智能控制器设计

研究了基于神经网络的自由漂浮空间机器人在任务空间内的轨迹跟踪问题。首先利用RBF神经网络来逼近自由漂浮空间机器人高度非线性的动力学模型，然后设计了鲁棒控制器对逼近误差和外部干扰进行抑制。利用Lyapunov直接方法建立的新的神经网络参数和连接权值的在线学习算法，以及利用耗散理论设计的鲁棒控制器保证了系统的稳定性，并能够使系统L2增益小于给定的指标。利用该控制器对平面二连杆空间机器人进行了仿真研究，表明该智能控制方案是有效的。