模型不确定的空间机器人无力传感器阻抗控制方法

针对自由漂浮空间服务机器人在轨捕获时与服务对象的碰撞问题,提出一种考虑模型不确定情况下的无力传感器阻抗控制方法。通过将不确定模型观测的接触力和神经网络对模型不确定部分辨识得到的接触力,共同作为末端执行器与服务对象抓捕点的估计接触力和阻抗控制器的反馈,使空间机器人在模型不确定和无力传感器的情况下仍能实现与服务对象的柔性接触。数值仿真结果表明,该方法可有效降低对空间机器人动力学建模精度的要求,具有较强的工程可行性。     

空间非合作目标物柔性捕获技术进展

分类探讨了近年来出现的多种空间柔性捕获技术的原理及性能特点，给出了一些具有代表性的案例，结果表明：空间绳系捕获技术在理论及试验研究方面都相对成熟，是未来行之有效、可工程实现的柔性捕获方式之一。重点针对空间非合作目标物捕获中容易出现的翻滚问题，对比分析现有的几种常用的接触式消旋方法，分析表明能同时实现捕获+消旋的一步式消旋法更具有应用前景。以空间绳系捕获技术作为空间柔性捕获的代表，对其捕获后的空间绳系组合体动力学模型建立过程中的系绳模型进行了综述，指出了各种系绳模型的优缺点及适用条件。对系绳控制机构进行了分类综述，给出了设计系绳控制机构需重点关注的问题。最后对空间绳系捕获技术的发展方向做了展望。     

空间大型末端执行器捕获动力学与实验研究

以绳索式末端执行器为研究对象,基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型,获得末端执行器捕获动力学模型,并设计了末端捕获冲击实验,验证了模型的正确性。所建模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。     

空间机器人抓捕碰撞分析与轨迹规划镇定控制

针对空间机器人抓捕目标过程中产生的碰撞冲击问题,分析了抓捕瞬态碰撞对机器人系统产生的影响,提出了一种控制力矩能量消耗少、对卫星平台基座扰动小的镇定控制方法,实现了对抓捕目标后组合体系统的镇定控制。首先,利用Kane方法建立了抓捕后的目标-机械臂-卫星平台组合体动力学模型;其次,利用ADAMS软件分析了瞬态碰撞冲击对空间机器人系统的影响,为后续镇定控制策略的设计提供初始仿真参数;采用四次多项式实现了机械臂关节空间轨迹的参数化,设定了基于控制力矩能量与基座扰动的加权目标函数,利用差分进化算法(DE)求解得到满足控制力矩能量消耗小、平台基座扰动少的机械臂关节空间轨迹。最后,利用七自由度空间机器人的数值仿真,验证了所提出方法的有效性。     

空间绳网捕获性能及误差影响分析

针对空间绳网的抓捕过程,确定了抓捕成功的评价标准,研究了多种非理想因素对绳网抓捕过程的影响。使用弹簧质点法建立了绳网的动力学模型,并建立了计入摩擦力的绳网碰撞动力学模型。以绳网边长为度量确定了抓捕目标的理论极限包络。提出了理想工况和非理想工况下界定绳网抓捕成功的判据,并重点研究了发射速度误差、发射同步性和抽出阻力差异对绳网抓捕性能的影响。结果表明:以展开率80%作为抓捕成功的界定标准过于严格,空间绳网具有较高的抓捕容错能力。     

一种新型空间对接抓捕机构的设计与分析

文章设计一种新型抓捕机构,不仅具有结构简单、末端速度可控等优点,而且可减小两卫星抓捕过程中产生的碰撞力。基于抓捕机构的工作原理,使用CATIA软件建立了三维模型,并运用ADAMS仿真软件进行仿真分析,得到其运动规律和动力学曲线;使用ABAQUS有限元软件对抓捕机构中的软轴进行受力分析。仿真与有限元分析结果表明:与美国ASDS-Ⅱ相比,该机构的角度容差更大,更容易实现对卫星的捕获。     

碰撞触发式非合作目标对接捕获机构设计

针对非合作目标航天器对接与捕获,设计了一种新型的对接机构.根据非合作目标不配合对接过程,且一直处于运动状态的特点,进行了概念设计.采用了自主的、依靠碰撞触发瞬时触发的对接模式.基于对机构动力学建模分析,用Adams解算器完成了对接过程的数学仿真,验证了机构能有效进行对非合作目标的自主捕获,确定了对接机构的正常工作相对速度范围.     

空间绳系机器人抓捕非合作目标的质量特性参数辨识

针对空间绳系机器人抓捕非合作目标/空间垃圾后需要对其进行回收/拖曳的精确控制问题,提出了一种利用抓捕后保持阶段的振动特性辨识目标参数的方法。首先,根据质量特性参数辨识的需要,推导了系统的动力学模型。不同于以往将本体卫星和被抓捕目标简化为质点的动力学模型,本文针对任意的目标抓捕位置,在考虑重力梯度影响的基础上,利用拉格朗日法获得系统各广义坐标的动力学公式。然后,分析非合作目标和系绳在后抓捕保持阶段的姿态运动。最后,在非合作目标与本体卫星没有任何信息交互的情况下,利用后抓捕阶段目标卫星和系绳特有的振动,并使用具有鲁棒性可遗忘因子的递推最小二乘法,提出了包括转动惯量和质心到任意抓捕点距离在内的质量特性参数辨识算法。     

非接触测温在空间环境模拟试验中的应用研究

文章指出了空间环境模拟试验中采用接触式测温的不足,分析了在大型空间模拟设备中采用红外设备进行非接触温度测量的优点和必要性.     

一种仿蝗虫腿空间缓冲吸附机构缓冲参数研究

针对空间机器人在太空高速工况下,难以平稳地着陆且黏附在目标航天器表面的问题,提出了一种仿蝗虫腿非合作空间缓冲吸附机构。为了得到机构最优的缓冲参数,使得其与目标航天器碰撞时不发生回弹且减小碰撞力以保护自身,提出了空间缓冲吸附机构碰撞缓冲的动力学模型,该模型研究方法基于连续碰撞力方程。通过对空间缓冲吸附机构的腿部胫节、股节以及整机的受力分析,求得其不同受力工况下的动力学方程。采用线性弹簧阻尼结构等效空间缓冲吸附机构碰撞缓冲过程,建立空间缓冲吸附机构碰撞动力学模型,并结合实际碰撞缓冲参数设计出空间缓冲吸附机构碰撞过程的刚度系数和阻尼系数。最后利用动力学仿真进行校验,结果表明用此方法,机构所受碰撞力大幅减小且不发生回弹,证明了方法的合理性。     

空间绳系组合体拖曳动力学分析及振动控制

空间绳系捕获系统捕获目标物后的组合体在拖曳离轨过程中常产生振动，为此，建立了切向连续推力作用下的空间拖曳绳系组合体面内动力学模型，并对模型进行了横向摆动与纵向振动耦合分析。针对组合体的纵向振动问题提出了一种以张力控制为内环、速度控制为外环的双闭环振动控制策略。进行了振动控制仿真分析，并根据动力学的相似性，建立地面模拟实验系统，仿真与实验结果表明该控制策略可迅速抑制组合体纵向振动、减小系绳冲击并可避免出现系绳松弛现象。     

基于空间机械臂的柔顺抓捕技术研究综述

空间机械臂是广泛应用于空间探索与实验的重要机电设备,柔顺抓捕技术为其执行主要任务的基础。空间机械臂柔顺抓捕技术主要分为结构设计与控制方法两个方面。首先介绍了目前已成功应用的空间机械臂末端执行器系统,分析了其结构与抓捕原理特点,说明了相应优势与不足,并给出结构优化的合理建议。然后介绍柔顺抓捕的控制方法在空间任务以及部分非空间任务中的成功应用,比较了其特性与优劣,归纳出优化的空间机械臂柔顺抓捕控制策略。本研究期望为空间机械臂柔顺抓捕技术的研究提供思路。     

美国小行星俘获任务及其启示

小行星俘获(ACR)任务是美国Keck空间研究中心发起的一项深空探测任务。该任务计划选定一颗近地小行星,通过口袋式抓捕系统对其实施抓捕,并于2025年左右将其带回近月空间。文章介绍了ACR任务的内容和系统设计,具体包括:航天器总体构型、抓捕分系统、探测识别分系统和控制与推进分系统;对小行星抓捕的目标探测与识别、旋转匹配、抓捕、消旋、轨道转移等核心操作。基于ACR任务,提出了空间目标俘获技术的需求与应用、抓捕航天器系统设计的启示;基于我国目前的技术研究情况,总结分析了发展空间目标俘获任务所需的关键技术,如大功率柔性太阳翼、长时间大范围轨道机动、目标探测与识别、快速机动、目标抓捕与消旋。     

空间绳网捕获动力学仿真

空间绳网捕获系统是一种很有前景的空间碎片清除方法。然而，绳网的部署与捕获过程非常复杂，截至目前仍存在少量关键问题有待解决。对绳网捕获过程的研究是为了得到更合理的初始释放条件，以便绳网在接触目标后能成功包裹目标。利用有限元法将绳网进行离散，建立弹簧质点模型，并通过有限元软件进行仿真。同时提出了与仿真相关的3个接触参数，通过对不同捕获模型接触参数的横向对比找出绳网系统在展开及捕获过程中接触行为的区别。仿真结果表明，采用方形绳网系统对于正方体与弧形薄壁体目标捕获效果相对较好，对球形目标的捕获效果相对较差。针对不同捕获物体，绳网中最大应力出现的位置也不同，但最大应力都是集中出现在绳网与捕获目标棱角接触处与牵引球连接处。该仿真结果对最优绳网初始释放条件与编织形式的选取具有指导意义。     

适合一类动目标插拔操作的机械臂变阻抗控制方法

以在轨服务空间机械臂执行一类动目标精细盲插拔操作为研究对象,针对机械臂末端与不确知动态变化插拔位置的柔顺跟随问题,提出了一种根据实际接触力与期望接触力的关系动态调整阻尼参数的变阻抗柔顺随动控制算法,实现了对不确知动态变化插拔位置的柔顺跟随。针对机械臂末端与插座底部接触后的反复碰撞问题,提出了一种根据碰撞次数实时改变惯性参数和阻尼参数的变阻抗稳定接触控制算法,实现了机械臂末端的快速稳定并保持在期望接触力范围之内。数学仿真和地面六自由度机械臂实验验证表明,与固定参数的阻抗控制相比,两种新算法分别能有效降低插拔目标动态变化给系统造成的两个不利影响,有助于顺利完成柔顺盲插拔操作任务。     

类杆锥式对接机构捕获动力学分析与参数设计

针对面向在轨服务的小型航天器上使用的类杆椎式对接机构,给出了其参数设计及其 动力学分析方法。采用虚功率原理和赫兹模型建立了对接机构的整体接触碰撞动力学模型, 通过对不同初始条件下捕获阶段动力学仿真评价完成了缓冲阻尼参数的设计,实现了对接机 构的整体性能满足设计目标要求。     

失效航天器非接触式消旋技术发展综述

对失效航天器非接触式消旋领域内的研究成果进行了综述,梳理了非接触式消旋的特点,并聚焦于系统动力学模型、消旋方法和关键技术等方面。首次将非接触式消旋方法按照其作用机理分为电磁式消旋和冲击式消旋两类,并分别总结了其技术特点和适用的任务场景。而后针对消旋任务的实践需求,系统阐释了非接触消旋中制导与控制、高性能星载计算等关键技术。最后,面向复杂空间任务和智能化消旋操控的需求,提出了非接触式消技术中4个值得研究的问题和方向。有望为未来失效航天器在轨维护和非接触式消旋技术的发展提供借鉴和参考。     

对接过程中捕获锁质量和锁合面间隙影响分析

采用弹性接触动力学有限元和多刚体动力学方法分别对航天器对接接触碰撞过程和对接机构捕获、缓冲与校正过程进行了数值模拟,对比分析了捕获锁质量对捕获过程的影响及捕获锁锁合面间隙对捕获后对接过程的影响。从仿真结果可以看出,附加质量有利于主、被动对接环之间形成接触滑移,捕获后锁合面间隙引起两飞行器间相对速度震荡,并延迟了碰撞力和缓冲时间。     

对接机构隔框锁的接触碰撞动力学研究及仿真

为了给空间对接飞行器提供地面试验的参考依据。验证隔框锁结构设计的正确性和对接过程的可行性。本文针对隔框锁实例，在其运动平面内以均匀B样条曲线抉合锁钩外轮廓。并建立起接触碰撞动力学微分方程和仿真模型，分析了刚体碰撞的过程，刚性接触的单边约束条件和考虑变形接触的法向计算方法，文章还提出了基于几何引擎的接触点的实时判别算法，并给出了对接完成锁钩的接触力，动能及动量的仿真曲线图。计算过程稳定，所得结果合理，具有重要的参考价值。     

空间机器人抓捕目标星碰撞前构型优化

空间双臂机器人抓捕目标星会导致碰撞,针对碰撞引起机器人系统基座姿态变化的问题,提出一种基于粒子群算法的碰撞前构型优化方法。该方法首先给出了碰撞前和碰撞后的动力学模型,然后根据冲量-动量方程推导出碰撞阶段动力学方程,最后提出基于粒子群算法的最优碰撞前构型规划数值方法,使碰撞对机器人系统角动量的影响尽量小。通过计算校验了该方法的有效性,找到了用于空间机器人抓捕目标星的较理想的碰撞前构型。