Adaptive fuzzy terminal sliding mode control for the free-floating space manipulator with free-swinging joint failure

Space manipulator with free-swinging joint failure simultaneously contains kinematic and dynamic coupling relationships, so it belongs to a new underactuated system. To allow the manipulator to carry on tasks, an effective robust underactuated control method for the space manipulator with free-swinging joint failure is studied in this paper. Considering the effect of model uncertainty and joint torque disturbance, a robust underactuated control system based on the Terminal Sliding Mode Controller (TSMC) is designed, but two drawbacks are discussed: (A) Robustness depraves with eliminating chattering. (B) Control parameters are difficult to be determined under unknown uncertainty and disturbance. To improve the TSMC, the adaptive fuzzy controller is introduced to estimate the real effect of unknown uncertainty and disturbance according to deviations of sliding mode and its reaching law. The estimated result is directly compensated into active joints torque. In simulation, the space manipulator with free-swinging joint executes tasks based on the TSMC and the Adaptive Fuzzy Terminal Sliding Mode Controller (AFTSMC) respectively. Same tasks can be finished with smaller joints torque and stronger robustness based on the AFTSMC. Therefore, AFTSMC can serve as an effective robust control method for the space manipulator with free-swinging joint failure under unknown model uncertainty and torque disturbance.     

基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划

为了使太空机械臂在关节锁定故障后仍能继续完成后续任务,提出一种基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划方法。基于牛顿-拉夫逊法计算太空机械臂关节人为限位,完成满足任务需求的退化工作空间求解,通过构造姿态可达度指标,在退化工作空间的基础上建立故障机械臂基坐标系下的位姿可达空间。通过在代价函数中增加最小奇异值代价项改进传统A^*算法,基于改进A^*算法在所建立的位姿可达空间内完成太空机械臂容错路径规划。所提方法综合了位姿可达空间与改进A^*算法各自的优势,实现了关节锁定故障太空机械臂同时满足避奇异与位姿可达要求的轨迹搜索。通过建立7自由度太空机械臂运动学模型开展数值仿真研究,仿真结果验证了所提容错路径规划方法的有效性。     

A multi-stage regulation strategy of space manipulators with a free-swinging joint failure

To ensure tasks can be completed after a free-swinging joint failure occurs, a multi-stage regulation strategy of space manipulators is proposed. Considering all terms of the dynamics equation, an evaluation model of the regulation ability (EMRA) of active joints over the fault joint is established based on the fuzzy entropy. And then a multi-stage regulation strategy based on the EMRA is designed to regulate the fault joint. The strategy divides the regulation process into several stages, and select a certain active joint to regulative the fault joint in every stage. With this multi-stage regulation strategy, the fault joint can be regulated to the desired angle without huge torque on regulative joints. The simulation is carried out with a 7-DOF space manipulator, verifying the correctness and effectiveness of the multi-stage regulation strategy. The strategy has three advantages: Coriolis and centrifugal terms are both considered for the first time in selecting the regulative joint, making the selection result more in line with the actual regulation process; The influence of the model uncertainty is eliminated in establishing the EMRA, making the evaluation of regulative ability more precise; The fault joint is successfully regulated to the desired angle without huge torque on regulative joints.     

参数不确定空间机械臂系统的增广自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基两杆空间机械臂系统的控制问题,为此对系统的运动学、动力学作了分析。结果表明 :结合系统动量守恒及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系、以及系统的动力学方程将为系统惯性参数的非线性函数。证明了借助于增广变量法可以将增广广义Jacobi矩阵以及系统动力学方程表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上,给出了系统参数未知时,空间机械臂末端抓手跟踪惯性空间期望轨迹的增广自适应控制方案。通过仿真运算,证实了方法的有效性。     

平面五杆并联机构优化的自重构方法

并联机构机械臂具有工作空间小、运动学和动力学运动特性复杂的缺点。基于优化技术,各种并联机器人运动综合技术只能相对地提高机械臂的运动性能,不能保证一定能得到满足实际要求的设计结果。本文提出了机构的动态重构思想,并以五杆并联机械臂为具体对象,研究了机构运动学各向同性的最优综合设计问题,指出可重构并联机构的两种运动阶段：正常运动阶段和机构重构运动阶段,这两个运动阶段可以采用统一的运动性能评价方法进行研究,从理论和方法上指出了一条从本质上提高并联机构运动性能的方法,以平面五杆并联机构为对象给出了计算实例和具体方法。     

具有冗余度的三分支空间机器人的运动学分析

基于例如空间站等恶劣的应用环境,研制了一种具有冗余度的三分支空间机器人。该机器人的一个分支的末端可以和基座固联,另外两个分支可以进行控制来完成各种作业。在宇航员不在的情况下,该机器人可以代替宇航员对科学实验载荷进行操作。利用旋量理论对机器人的逆运动学进行了分析,并建立了统一的数学模型给出了其运动学优化、动力学优化以及容错控制的理论基础。基于球腕的封闭解,提出了一个简单的逆运动学模型。最后,通过计算机结果演示验证了所提出逆运动学模型的有效性。     

容错多传感器组合导航系统发展综述

对容错组合导航系统的基本理论、联邦滤波器的设计方法、特点进行了分析；指出联邦滤波器在时间和空间上为组合导航系统的容错设计提供了条件；同时对组合导航系统故障诊断、故障隔离和系统重构方法进行了研究。     

打磨机操作臂运动学仿真研究

采用D—H方法建立打磨机操作臂的运动学方程,并讨论该操作臂的运动学问题。首次将MATLAB中的Robotics Toolbox命令与编写的MATLAB程序相结合应用于新型打磨机操作臂正运动学、逆运动学仿真,并对正、逆运动学以及空间轨迹进行了实例仿真。通过仿真观察到操作臂各个关节的运动并得到了所需的数据,说明操作臂建模以及所设计参数的合理性和运动算法的正确性,为打磨机的动力学、控制和规划的研究提供了可靠的参数。     

基于多智能体强化学习的空间机械臂轨迹规划

针对某型六自由度（DOF）空间漂浮机械臂对运动目标捕捉场景,开展了基于深度强化学习的在线轨迹规划方法研究。首先给出了机械臂DH （Denavit-Hartenberg）模型,考虑组合体力学耦合特性建立了多刚体运动学和动力学模型。然后提出了一种改进深度确定性策略梯度算法,以各关节为决策智能体建立了多智能体自学习系统。而后建立了"线下集中学习,线上分布执行"的空间机械臂对匀速直线运动目标捕捉训练系统,构建以目标相对距离和总操作时间为参数的奖励函数。最后通过数学仿真验证,实现了机械臂对各向匀速运动目标的快速捕捉,平均完成耗时5.4 s。与传统基于随机采样的规划算法对比,本文提出的自主决策运动规划方法求解速度和鲁棒性更优。     

一个超冗余度移动操作臂机器人系统的实现与运动控制

冗余度或超冗余度移动操作臂机器人可在空间站上为宇航员提供很大的帮助.对一个超冗余度移动操作臂机器人系统的设计和实现作了介绍,这个系统由一个8自由度的模块机器人和一个1自由度的电机驱动的导轨组成;对该系统的逆运动学解法进行了讨论,提出了一种基于避关节极限与位形优化的简化逆运动学控制方法;并提供了仿真和实验结果.     

Stewart平台铰点工作空间的研究

针对并联六自由度运动平台工作空间大小与结构尺寸参数评价关系问题进行了探讨,提出了6-6结构六自由度并联机构铰点工作空间的概念,并以此出发建立了工作空间大小与尺寸参数的联接关系表达式,从而实现了直接依据工作空间大小进行结构尺寸设计而不必进行大量工作空间反复核算。通过仿真实验不仅验证了投入使用的飞行模拟器六自由度运动平台结构设计的合理性,而且依据铰点工作空间的原理构造出Stewart平台位置可达工作空间。此方法既为系统总体结构参数合理选择提供理论依据,又对Stewart平台工程设计提供机构边界运动范围,为工作空间的分析与综合提供了新途径。     

带有空间机械臂的航天器系统惯性参数辨识

针对航天器惯性参数在轨辨识问题,文章以空间机械臂为研究对象,建立了带有空间机械臂的航天器系统动力学模型,并进行了空间机械臂的动力学分析。通过规划一种复杂的空间机械臂的运动轨迹,对机械臂各关节施加合适激励的方法,使空间机械臂做充分可变构型运动。该运动会改变航天器系统的惯性分布,从而引起航天器系统速度变化。然后,通过ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,机械系统动力学自动分析)软件建模测量这些速度变化,计算出空间机械臂的惯性变化,进而基于动量和动量距守恒的方法建立线性回归方程。最后,通过应用递推最小二乘法解线性回归方程组,辨识出了航天器的惯性参数。仿真分析结果表明了所辨识的航天器惯性参数的有效性和准确性。     

空间模块化机械手系统容错控制系统研究

研究搭载在空间站或其他近地轨道航天器上的空间模块化机械手系统的容错控制系统.与地面应用环境相比较,空间特殊的应用环境存在许多不同,因而传统工业机械手系统的设计技术不能直接应用于空间机械手系统的设计.考虑到空间应用对系统质量、体积、功耗、研制费用和周期所提出的苛刻要求,主要采用COTS器件设计并实现该空间机械手系统的容错控制系统,介绍了系统的软硬件体系结构及其特点,最后给出系统的性能参数.在系统设计中采用许多已有的设计技巧与工程经验,具有高可靠性和工程实用性.     

采用冗余驱动提高并联机床精度的研究

 由于并联机构铰链间隙的存在,使并联机构的实际精度和刚性明显减小。本文论述了采用冗余驱动技术改善并联机构精度的研究。首先分析了可以将铰链间隙对并联机构运动误差的影响转化为杆长偏差对机构误差的影响;然后通过分析得出 :由于铰链间隙的影响,并联机构运动空间是空间几个球环的交集,采用数值法,利用球坐标数值积分求出误差空间的体积大小;最后对具有相同结构参数的非冗余和具有冗余驱动的两种并联机构,在同样的工作空间内分别计算了误差分布,得出采用冗余驱动技术可以有效减小因铰链间隙而引起的并联机构运动误差的结论。     

基于状态观测器的空间机械臂关节故障诊断

为了实时检测空间机械臂关节故障的发生并获得有效的故障信息,提出一种基于状态观测器的关节故障诊断方法。通过结合滑模变结构控制理论设计滑模状态观测器,获得机械臂各运行状态的残差信息,并将其与设定的阈值比较,实现关节故障的检测。进而引入不同的故障模式,构建故障数据库,将实际关节故障所导致的机械臂故障残差信息与故障数据库对比,完成故障发生位置及其故障程度的识别。所提诊断方法考虑了空间机械臂系统内部强耦合特性,能够及时检测故障的发生并获取有效的故障信息。最后以7自由度空间机械臂为对象开展数值仿真研究,验证了所提关节故障诊断方法的有效性。     

管路组件可重构装配工装系统的定位器自动配置与性能分析

为解决航空航天管路组件的装配质量及效率问题,设计并实现了一套新型自动化可重构工装系统。为实现管路工装系统定位器的自动配置,首先基于D-H法建立了定位器的运动学模型,并以配置系统解析的管接头位姿参数为目标值求解出了定位器的配置参数,为管路工装模型的自动配置提供了数据依据。在此基础上,利用数值法求出了定位器的工作空间,并以工作空间的最大包络直径作为干涉圆直径提出了定位器的运动路径规划方法。然后,基于坐标变换理论和空间尺寸链方法,建立了定位器的定位误差模型,为定位器乃至整个管路工装系统的性能分析提供了理论依据。最后,以某航空发动机一套管路模型的自动配置和性能分析过程为例给出了应用验证。     

空间站机械臂关键技术研究

我国空间站机械臂承担舱段转位、辅助对接、舱外设备安装及维修等关键任务,具有大负载、高精度、高可靠等特点,涉及机、电、热、光、控等多学科技术交叉耦合,高度集成且研制难度巨大。在分析、比较国内外机械臂的基础上,提出了我国空间站七自由度冗余、分布式控制、位置可移动的机械臂技术方案,并阐述了高精度伺服控制、多约束路径规划等八类关键技术研究成果。空间站机械臂已具备了工程化实施条件,为我国空间站工程建设奠定了基础。     

基于动力学RRT*的自由漂浮空间机器人轨迹规划

针对自由漂浮空间机器人（FFSR）轨迹规划问题,提出了一种基于动力学RRT^*算法的FFSR轨迹规划方法。首先,建立了FFSR的运动学与动力学模型,将系统模型伪线性重构为状态空间模型,并设计了考虑位姿调整时长和能量消耗的加权目标函数;然后,针对机械手初末位置间的障碍,简化避障方法,提出了机械臂避障与机械手避障两层次避障策略,提高碰撞检测效率;接着,给出了多体系统的动力学RRT^*逼近最优轨迹的方法;最后,为验证算法有效性并不失一般性,选取平面2连杆FFSR模型进行数值仿真并用经典RRT^*算法和高斯伪谱法与之对比。仿真结果表明,该方法能够以较快的速度生成可行的机器人移动轨迹。     

基于干扰观测器的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法

由于强非线性、强耦合和强时变等特征,柔性空间机器人的稳定精细控制问题一直是一个重大挑战。轻质小型化机器人受空间及重量限制,其关节柔性通常不可忽略,这部分柔性主要是由谐波减速器和力矩传感器的柔性造成的。传统的运动学控制在空载时能保持稳定,但是对大负载、快速运动时的适应性差,严重时机械臂抖动剧烈甚至发散。针对以上特征,提出了一种基于非线性干扰观测器和动力学极点配置的柔性空间机器人在轨精细操作控制方法。仿真实验证明,该方法可以有效地抑制柔性激振,保证响应的快速性和准确性,同时有较好的鲁棒性,能够适应不同类型扰动的影响和末端环境柔顺控制的要求,对工程应用具有一定的参考意义。     

空间机械臂技术综述及展望

介绍了国外空间机械臂在轨技术验证与工程应用的概况,从任务类型、构型配置、末端执行器与操作方式方面分析了空间机械臂技术的发展趋势。综述了空间机械臂的任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证7项关键技术。介绍了中国试验七号与天宫二号空间机械臂在轨验证情况,重点介绍了正在研制的中国空间站机械臂基本方案。最后,总结了目前空间机械臂技术存在的问题,并对中国未来空间机械臂技术发展提出了建议。