基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究

针对7自由度空间机械臂在目标捕获过程中的应用,根据机械臂末端执行器与目标适配器导向插入过程中存在接触碰撞的特点,提出一种阻抗控制方法,将机械臂末端测量的反作用力和力矩转化为位置增量,从而提高机械臂的主动柔性。并建立MATLAB/ADAMS联合仿真模型进行仿真验证,利用ADAMS的碰撞模型模拟接触捕获时的力学过程。仿真结果表明,本文提出的阻抗控制方法可以减小机械臂末端作用力和关节的驱动力矩,补偿了机械臂位置控制的误差,从而保证了机械臂对目标的捕获精度。     

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。     

一种冗余机械臂的轨迹跟踪联合仿真研究

冗余机械臂作为一种复杂的机电系统,其精确传递函数和动力学模型难以建立,为进行精确轨迹跟踪及动力学分析造成障碍。为代替实际的物理样机进行产品的性能测试,缩短物理样机的开发周期,提高设计质量和效率,利用Matlab与ADAMS对机械臂搬运器件作业进行轨迹跟踪联合仿真研究。仿真结果表明,所设计机械臂具有良好的轨迹跟踪能力;在实现轨迹精确跟踪的同时,联合仿真算法得到的轨迹具有更好的加速度及力矩控制效果,提高了机械臂搬运作业的运动平滑性,所得数据可供工程应用。     

空间机械臂地面装调与空间应用迭代学习控制

针对空间机械臂系统地面装调和空间应用两阶段的末端轨迹控制问题,提出了采用闭环PD型迭代学习控制算法对空间机器人进行轨迹跟踪控制,从而使在地面重力条件下装调好的空间机械臂能够在空间微重力条件下实现在轨操控任务。建立了空间机械臂在地面装调阶段和空间应用阶段的运动学与动力学模型,给出了控制算法和控制结构,并通过对控制器的收敛性进行分析,给出系统收敛的充分条件。仿真结果表明,采用闭环PD型迭代学习控制算法对轨迹跟踪是有效可行的。     

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。     

空间机械臂视觉测量技术研究

空间机械臂技术是维护空间站、执行指定任务、保障航天员出舱作业的安全等必不可少的关键技术。视觉测量技术则是保证空间机械臂顺利完成空间遥操作任务的前提。基于此前提,首先对空间机械臂视觉测量技术进行了概述,并分别对手眼关系标定、标志器识别以及相对三维位姿测量等关键技术进行了阐述;然后,以加拿大机械臂为例提出了一种基于边缘特征的标志器识别算法,给出了具体的识别流程,并采用一种基于非迭代的相对位姿测量算法实现了位姿求解;最后,针对标志器识别算法和位姿测量算法给出了基于仿真图像的实验结果和机械臂原理样机集成实验结果。最终实验结果表明:提出的空间机械臂视觉测量方法合理可行,满足预期的技术指标要求,具有较强的工程应用价值。     

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。     

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。     

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。     

空间机械臂维修性系统设计与评价体系的构建

空间机械臂维修性系统设计与评价体系的构建对机械臂维修具有非常重要的意义。结合空间机械臂维修性需求,建立了机械臂"设计-验证-设计-评价"全周期系统性的维修性设计与评价体系,根据维修性系统设计体系进行维修性设计-验证-再设计的循环管理,再根据维修性评价体系,三类评价人员模拟在轨维修操作场景分别开展维修评价,最终根据评价指标中的不合格项进行设计迭代。以机械臂中央控制器在轨维修为例验证该评价体系。研究结果将为后续空间机械臂维修性设计与评价工作提供体系借鉴和工程指导。     

惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。     

Pre-impact trajectory planning for minimizing base attitude disturbance in space manipulator systems for a capture task

Aimed at capture task for a free-floating space manipulator, a scheme of pre-impact trajectory planning for minimizing base attitude disturbance caused by impact is proposed in this paper.Firstly, base attitude disturbance is established as a function of joint angles, collision direction and relative velocity between robotic hand and the target.Secondly, on the premise of keeping correct capture pose, a novel optimization factor in null space is designed to minimize base attitude disturbance and ensure that the joint angles do not exceed their limits simultaneously.After reaching the balance state, a desired configuration is achieved at the contact point.Thereafter, particle swarm optimization(PSO) algorithm is employed to solve the pre-impact trajectory planning from its initial configuration to the desired configuration to achieve the minimized base attitude disturbance caused by impact and the correct capture pose simultaneously.Finally, the proposed method is applied to a 7-dof free-floating space manipulator and the simulation results verify the effectiveness.     

A modified forward and backward reaching inverse kinematics based incremental control for space manipulators

Forward and backward reaching inverse kinematics (FABRIK) is an efficient two-stage iterative solver for inverse kinematics of spherical-joint manipulator without the calculation of Jacobian matrix. Based on FABRIK, this paper presents an incremental control scheme for a free-floating space manipulator consists of revolute joints and rigid links with the consideration of joint constraints and dynamic coupling effect. Due to the characteristics of FABRIK, it can induce large angular movements on specific joints. Apart from that, FABRIK maps three dimensional (3D) problem into two dimensional (2D) problem by a simple geometric projection. This operation can cause infinite loops in some cases. In order to overcome these issues and apply FABRIK on space manipulators, an increments allocation method is developed to constrain the angular movements as well as to re-orient the end-effector. The manipulator is re-positioned based on the momentum conservation law. Instead of pure target position tracking, the orientation control of the end-effector is also considered. Numerical simulation is performed to testify and demonstrate the effectiveness and reliability of the proposed incremental control approach.     

飞行模拟器运动系统虚拟样机的联合建模研究

针对传统的数学建模方法在对飞行模拟器运动系统——液压驱动Stewart平台进行动力学建模的过程中存在建模过程相对复杂、 仿真无法提供可视化信息等缺点,提出采用ADAMS和Matlab/Simulink联合建模的方法,建立了液压驱动Stewart平台的虚拟样机.通过研究与仿真分析,并与真实的Stewart平台进行实验对比,结果表明,虚拟样机在动力学性能方面与真实的液压驱动Stewart平台相比具有很高的相似性,可代替一般的数学模型,为液压驱动Stewart平台的研究和研制提供理论上的指导和验证,同时也证明了联合建模方法的正确性和有效性.     

冗余铺丝机械手自运动流形分析及优化

针对传统位姿分离式铺丝机械手灵活性不足的特点,为了提高航空复合材料铺丝过程的灵活性和避障碍能力,提出一种位姿耦合式冗余铺丝机械手自运动流形的新算法。由于冗余铺丝机械手各关节之间的强耦合性增加了逆解的求解难度,该算法将冗余铺丝机械手的关节逆解分解为已知的Paden-Kahan旋量子问题以及由位置关节组成的特殊旋量子问题,并针对特殊旋量子问题进行求解得到冗余铺丝机械手全部逆解,这样相对于位姿分离式解法有效提高了冗余铺丝机械手逆解的求解效率以及求解直观性。由于冗余铺丝机械手的逆解呈现出流形的结构,所以根据冗余铺丝机械手自运动流形的多维特性,将冗余铺丝机械手的自运动流形分别映射到位置关节空间和姿态关节空间得到其三维仿真曲线。由于冗余铺丝机械手逆解流形中的优化流形在实际控制中更具应用价值,所以在铺丝机械手末端执行器沿芯模轨迹运动速度平稳的前提下为了使机械手各关节速度变化最小,提出以冗余铺丝机械手关节速度组成的约束泛函为目标得到相应的运动学优化流形,并为后续的最优控制奠定了基础。最后以某型号飞机S形进气道为例验证了所提方法的可行性。     

Analysis of reaction torque-based control of a redundant free-floating space robot

Owing to the dynamics coupling between a free-floating base and a manipulator,the non-stationary base of a space robot will face the issue of base disturbance due to a manipulator's motion.The reaction torque acted on the satellite base's centroid is an important index to measure the satellite base's disturbance.In this paper,a comprehensive analysis of the reaction torque is made,and a novel way to derive the analytical form of the reaction torque is proposed.In addition,the reaction torque null-space is derived,in which the manipulator's joint motion is dynamically decoupled from the motion of the satellite base,and its novel expression demonstrates the equivalence between the reaction torque null-space and the reaction null-space.Furthermore,the reaction torque acted as an optimization index can be utilized to achieve satellite base disturbance minimization in the generalized Jacobian-based end-effector Cartesian path tracking task.Besides,supposing that the redundant degrees of freedom are abundant to achieve reaction torque-based active control,the reaction torque can be used to realize satellite base attitude control,that is,base attitude adjustment or maintenance.Moreover,because reaction torque-based control is a second-order control scheme,joint torque minimization can be regarded as the optimization task in reaction torque-based active or in-active control.A real-time simulation system of a 7-DOF space robot under Linux/RTAI is developed to verify and test the feasibility and reliability of the proposed ideas.Our extensive empirical results demonstrate that the corresponding analysis about the reaction torque is correct and the proposed methods are feasible.     

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。     

欠驱动机器人的动力学耦合奇异研究

欠驱动机械臂的运动只能从动力学水平进行控制,从动关节的运动是通过主动关节的动力学耦合间接控制的。主、被动关节之间的动力学耦合特征与机械臂关节空间的位形有关,因此在欠驱动机械臂运动过程中可能发生动力学耦合奇异,某些被动关节的运动变得不可控。从关节空间和操作空间两个角度分析了欠驱动机械臂的动力学耦合问题,给出从以上两种工作空间度量系统动力学耦合的指标。提出一种基于输入变量非线性变换的滑模变结构控制方法,用于实现欠驱动机械臂操作空间中的连续轨迹控制。通过平面二连杆欠驱动机械臂和只有一个主动关节的平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果证明提出的控制方法是可行的。