宏微空间机械臂运动控制方法综述

由于单一的机械臂不能满足日益增长的空间任务需求，为了提升机械臂的综合性能如快速响应、高精度和大负载，世界各航天大国开展了宏微机械臂的研制工作。综述了国际空间站和中国空间站上宏微机械臂的发展现状，分别从分时独立控制和协调控制两种操作模式下对宏微机械臂系统的运动控制进行了归纳总结。当宏微机械臂采用分时独立的控制模式时，可将其等效为柔性基座机械臂，并从反作用最优控制、主动阻尼控制和末端轨迹跟踪控制三方面对柔性基座机械臂的控制算法进行了分析研究，为中国空间组合机械臂的在轨操作提供了借鉴意义。最后，对空间宏微机械臂的动力学建模和运动控制进行了展望。     

具有初始动量的空间机械臂零反作用轨迹跟踪

对具有初始动量的自由漂浮空间机械臂系统进行了研究,考虑其执行在轨任务时便已经具有的动量,根据系统的构型参数建立运动学模型,再采用拉格朗日第二类方程建立动力学模型。利用空间机械臂系统具有冗余自由度这一特性,推导运动学和动力学方程,得到了零反作用运动方程,消除了基座和机械臂之间的角速度耦合作用。末端运动轨迹用多项式插值函数来逼近,根据给定的机械臂末端初始和终止状态来规划其运动轨迹,并将机械臂末端的工作空间转换到关节空间中。根据已知的动力学模型,设计合适的比例-微分（PD）控制率。仿真结果表明,通过选择合适的增益反馈矩阵,机械臂末端能平稳地跟踪目标轨迹,同时,机械臂的运动不会对基座的姿态产生扰动,保证了基座姿态的稳定性及航天器的正常运行。     

柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

基于构形平面的冗余机械臂轨迹规划方法

针对冗余机械臂在空间轨迹规划过程中构形多样但不唯一的问题,提出了一种快速求解冗余机械臂在空间轨迹规划过程中的最优构形的方法。受机械臂关节约束和空间障碍的限制,冗余机械臂的轨迹规划是一个复杂的过程。而为了保证机械臂运动的平稳性,冗余机械臂工作构形由多个机械臂关节轴线依次连接形成的构形平面组成。从构形平面入手,利用空间几何的方法,对冗余机器人进行空间轨迹规划,通过空间矢量引导、避障路径的比较,快速找到空间优化的路径,实现多目标轨迹规划方法。该方法用于一个7自由度冗余机械臂,结果表明该技术能够快速直观解决路径规划问题,不依赖具体的机械臂工作构形,适用于更多自由度的冗余机械臂。      

面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法

文章针对非合作目标抓捕问题设计了基于误差反馈系数的机械臂轨迹规划算法.考虑到空间机械臂在轨服务要求,采用反作用零空间方法来规划机械臂运动轨迹以实现机械臂与航天器之间的协调运动.为避免在规划起始阶段位姿误差较大可能导致机械臂关节速度过大的问题,引入了位姿误差反馈系数.为对空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划技术进行验证,搭建了地面半物理仿真系统.试验结果表明,通过合理选择位姿误差反馈系数,设计的轨迹规划算法能够使固定基座机械臂末端执行器以较为均匀的速度逼近非合作目标,并能以较高精度实现对非合作目标的抓捕.该试验可以为空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划提供参考.     

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下，空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法，利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型，利用奇异摄动法，将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动，依据虚拟控制力的概念，设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动，分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式，使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明，所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动，实现对期望信号的高品质追踪.      

基于六维加速度传感器的大型机械臂柔性关节振动抑制

空间大型机械臂具有关节柔性大、臂杆长、基座漂浮等特点,将导致其在自由空间运动存在较大的残余振动,约束空间力控制精度和稳定性较低.基于设计的机械臂末端六维加速度传感器,设计关节加速度反馈控制器,并对控制性能进行分析对比,最后搭建机械臂柔性关节实验平台,开展关节空间位置和阻抗控制试验,试验结果表明基于加速度反馈的残余振动相比于采用传统的输入整形方法,具有振动抑制快,振幅小等优点.     

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。      

行星采样柔性机械臂运动规划研究

为适应行星表面较大范围的采样要求及系统减重的需求,采样机械臂通常是细长形臂杆加多关节组成的连杆型关节机械臂,这使得抑制柔性振动成为机械臂控制系统的研究重点。针对采样机械臂的工作过程,提出带抛物线过渡的平滑轨迹规划方法,即在运动过程中使加速度连续,避免关节转动的力矩突变,并且最大限度降低峰值。首先建立基于D-H法的机械臂运动学方程,然后在考虑臂杆及关节柔性的动力学模型环境下,进行变加速—匀速—变减速的笛卡尔空间加速度连续平滑轨迹规划运动,达到减小柔性臂振动、提高定位精度的目的。仿真结果表明,在运动规划中引入抛物线过渡的加速度连续环节、降低加速度冲击可以明显改善运动平稳性,对提高动态跟踪精度有直接作用。     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

双柔性机械手搬运刚性物体的协调控制研究

采用负载分配方法,将双柔性机械手协调搬运物体的控制分解为两个等效柔性机械手的运动与力混合控制的问题,同时表明当负载分配系数为常数时等效柔性机械手具有柔性机械手相同的动力学特性。然后通过等效刚性机械手的逆运动学求解出两等效柔性机械手的期望运动轨迹,并且采用输出重定义设计出两等效机械手的运动近似跟踪控制和力控制算法;最后,通过双柔性平面机械手协调搬运物体的仿真实例,说明了所提出的控制方案在柔性机械手协调控制中的有效性。     

多机械臂的分布式自适应迭代学习控制

针对拓扑结构为无向连通的多机械臂系统,提出了一种自适应与迭代学习相结合的分布式控制协议来实现整个系统对给定期望参考轨迹的一致性跟踪.通过引入一个适当的自适应迭代学习参数,所提自适应迭代学习控制协议能够克服机械臂系统中的干扰和模型不确定性,并且每个机械臂的自适应迭代学习控制(AILC)律仅需要利用其与邻居机械臂的相对交互信息.进一步,在只有一部分机械臂具有期望参考轨迹信息的前提下,该控制协议可以实现整个系统对期望参考轨迹的跟踪,同时能够保证轨迹跟踪误差与控制输入的有界性.此外,利用李亚普诺夫分析方法证实了所得结论的正确性,并且通过一个实例验证了所提自适应迭代学习控制协议的有效性.      

柔性冗余度机器人振动控制的一种方法

对于柔性机器人而言,如何尽快抑制其结构柔性所引起的振动是十分重要的.本文对柔性冗余度机器人振动的控制问题的原理与策略进行了研究.把阻尼的主动控制思想应用于机器人振动的控制中,并给出了相应的最优控制方法.这种方法通过优化机器人的自运动实现外部能量的输入以提高系统的阻尼,使振动迅速衰减.此外,对这种控制方法的实现进行了讨论.最后对一个末杆为柔杆的平面三杆机械手振动的控制进行了仿真,结果验证了方法的有效性.      

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求，提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念，构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵，建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型，基于指定的最小距离得到其运动学逆解，并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵，并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度，使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务，并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后，基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型，并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真，柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.     

柔性空间机械臂系统的模糊滑模神经网络控制及柔性振动主动抑制

研究了参数不确定漂浮基柔性空间机械臂关节空间的轨迹跟踪及柔性振动主动控制问题.运用虚拟力概念,生成能同时反映柔性振动和刚性运动的虚拟期望轨迹,设计了一种自适应非奇异Terminal滑模控制器来跟踪该虚拟期望轨迹,以实现载体姿态及关节稳定跟踪运动轨迹并对所产生的柔性振动进行主动抑制的控制目标.所设计的控制器结合了Terminal滑模控制快速收敛性,模糊小波神经网络优良的函数逼近特性及鲁棒技术处理逼近误差的优势,利用自适应算法在线自适应调节模糊小波神经网络的所有网络权值和参数,使控制器具有很强的鲁棒性.仿真实验证明了所提控制方案的有效性.      

基于多层感知器神经元的空间柔性机器人位置跟踪控制

针对基体位置及姿态均不受控的自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪问题,提出了一种前馈多层感知器(MLP)神经网络控制策略.建立了末端柔性的自由漂浮基机器人的耦合动力学模型,再利用MLP神经网络良好的逼近能力来自适应补偿非线性柔性臂的逆动力学模型,其误差代价函数由PID控制器提供,权重及阀值的调整采用改进的BP反传算法.最后通过仿真比较详细分析了所提方案的工作机理及对非线性强耦合系统控制的有效性.