空间机械臂关节动力学建模与分析的研究进展

空间机械臂的机械部分是一个由关节和臂杆等结构、机构部件组成,在空间零重力环境下运行的多体系统。关节是空间机械臂的核心部件,在机械臂动力学特性中起着重要的作用。准确全面地了解关节的动力学特性,是正确分析与模拟机械臂系统空间运动特性的关键,而建立精确的关节动力学模型,是机械臂系统设计、分析和控制的基础。文章结合空间应用的特殊性,对机械臂关节动力学建模方法的发展过程和研究成果进行了总结;并讨论了关节模型的求解算法;最后,对空间机械臂关节动力学建模与分析方面有待进一步研究的问题进行了展望。     

采样机械臂关节月表环境适应性设计

文章针对月球表面采样任务对机械臂关节防尘、耐高低温和轻量化的特殊要求,提出一种由永磁同步电机驱动、2K-H行星减速器+谐波减速器传动的关节设计方案。该方案采用电机的齿槽转矩提供关节制动力矩,并采用前馈力矩补偿控制的方法消除齿槽转矩引起的速度波动,节省了制动器的配置;通过控制减速器传动侧隙、电机定子与壳体的过盈量及密封垫片厚度,实现关节在-100~160℃高低温环境的热匹配和防尘。仿真分析和样机试验结果验证了关节设计方案可满足月表采样的月面特殊环境要求。     

空间机械臂关节精细动力学模型的建立及关节力矩控制

针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题,建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型,该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度,而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法,并以此建立关节力矩控制系统,利用Runge|Kutta算法对关节精细动力学模型进行了数值计算。计算结果表明,此关节力矩控制方法约有1.7%的稳态误差,能满足关节力矩控制的需要;基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法有效地解决了提高关节力矩测量精度与保持传感器刚度之间的矛盾。     

空间机械臂关节失效瞬时力矩突变抑制

针对空间机械臂执行负载操作任务突发关节失效引起的关节负载补偿力矩突变问题,建立了关节负载补偿力矩突变优化模型及求解方法。首先分析关节负载补偿力矩突变原因,以故障瞬间力矩突变量最小为目标,考虑突发关节故障,建立关节负载补偿力矩突变优化模型;其次构造含有抑制系数及静力学可操作度梯度的关节力矩修正项,并构造最优抑制系数函数,求解关节力矩突变优化问题;最后通过仿真对关节负载补偿力矩突变优化方法的正确性和有效性展开验证。结果表明：通过搜索最优抑制系数,突发关节失效引起的关节负载补偿力矩突变可被有效抑制,平均抑制率高达89.26%,且末端操作力精度不受影响,保证了空间机械臂负载操作任务安全可靠完成。     

大型空间机械臂关节动力学建模与分析研究

关节是空间机械臂的核心部件,是保证空间机械臂安全、平稳运行的关键。为全面反映大型空间机械臂关节的动力学特性并从细节之处优化关节设计,利用集中参数法建立了综合考虑轮齿柔性、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合误差等非线性因素的细化关节动力学模型。模型中采用一种基于tanh的连续函数对传统分段线性间隙函数进行近似,从而降低了模型的求解难度。研究了各级齿轮精度、关节转速和负载对关节动力学特性的影响。仿真结果表明,三级齿轮的精度变化会影响关节转速波动的振幅并分别影响高、中、低频特性;转速的增加将提高振动频率和幅值;力矩负载的增大会使关节转速波动幅值显著增大,且在满载时,所有的高阶频率都得到明显激励;惯性负载的增大会减小转速波动,并将能量集中在中频上。
     

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。     

柔性关节空间机械臂的自适应滑模控制

探究一类时滞柔性关节空间机械臂鲁棒自适应滑模控制问题。针对该种空间机械臂具有强非线性特点,同时考虑系统的未建模动态与扰动以及时滞影响,提出一种新的鲁棒自适应滑模控制器。基于Lyapunov-Krasovskii泛函和线性矩阵不等式等凸优化方法,给出滑动模态的鲁棒渐近稳定条件,并证明系统状态在有限时间内到达滑模面。最后,三组仿真校验表明了所设计的控制器可行。     

故障容错机械臂运动学可靠性设计

从机械臂运动学的角度,定义了故障容错机械臂、故障容错机械臂的阶、通用故障容错机械臂、特定任务故障容错机械臂,论证了通过运动学关节冗余也同样可以提高机械臂系统的可靠性、故障容错机械臂应该具备的自由度数、以及针对不同的任务要求来设计故障容错机械臂的方法。通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点,建立与机械臂参数向理想值接近程度相关的罚函数,选择有效的优化算法,设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂、通用一阶故障容错空间位置机械臂、以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂。建立起完整的故障容错机械臂设计方法,对航天机器人的研究具有一定价值。     

考虑在轨运动可靠性的空间机械臂关节力矩优化方法

提出一种考虑在轨运动可靠性的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法。首先将机械臂操作空间中点到点的转移任务从笛卡尔空间转换至关节空间,利用七次多项式插值法对各关节变量进行参数化处理,获得粒子群算法的优化控制参数;与传统路径规划方法不同,将机械臂各关节力矩的均值和最小作为粒子群算法优化求解的目标函数;依据该目标函数以及相应优化控制参数,利用粒子群算法对空间机械臂运行轨迹进行优化求解,得到机械臂关节力矩均值和最小的运行路径。仿真实验表明,相比传统路径规划方法及以关节力矩二范数为目标函数的关节力矩优化方法,在降低冗余度空间机械臂关节力矩均值方面,文中方法分别减小了33.57%和10.47%;在降低关节力矩最大值方面,分别减小了43.25%和6.19%。     

空间机械臂技术及发展建议

空间机械臂是一个机、电、热、控一体化的高集成度的空间机电系统。文章概述了国内外该技术的发展情况;论述了空间机械臂在目标监视与观测、在轨试验和建设、行星与深空探测三个方面的任务;讨论了系统构成与功能。结合工程应用,提出了空间生存与性能保持、空间驱动与伺服、空间建标与测量、天地协同控制与示教、地面仿真训练与环境模拟五项关键技术。文章还对我国在该技术领域的发展思路提出了建议,并展望了我国空间机械臂技术的发展前景。     

柔性机械臂关节作动的振动抑制方法和原理性验证

空间机械臂具有柔性大、振动频率低等特点,受激后振动的持续时间长、自然衰减慢。针对空间机械臂运行完成后留存的残余振动,采用固定界面子结构方法推导出关节转动与航天器-机械臂组合体振动的动力学显式关系。从中发现了控制关节转动并使其角速度正比于组合体振动的模态坐标,便能消耗组合体的机械能,加速组合体振动衰减的力学机理。据此,设计了逻辑关系简洁的机械臂关节角速度控制律,分别通过数值仿真和试验件实测对航天器-机械臂组合体的原理性模型开展了振动抑制效果的验证。结果表明:机械臂关节作动可以显著缩短受激后组合体残余振动的持续时间。     

一种可伸缩空间机械臂及其应用分析

介绍一种能够完成多关节型空间机械臂所能承担的大部分空间任务 ,而且应用更简便的可伸缩空间机械臂 ,对其空间应用做出了一些设想 ,简单讨论了其应用的一些相关问题 ,肯定了其可行性和实用性。     

载人航天器柔性机械臂的动力学建模方法

空间机械臂在载人航天活动中有着迫切的应用需求。航天器尺寸、质量等因素的限制使得空间机械臂具有大柔性的特点。文章结合空间机械臂应用环境的特殊性,论述了空间柔性机械臂多体动力学和关节的动力学建模方法,分析比较了不同建模方法的特点。为了满足未来空间机械臂在航天器工程应用的要求,文章指出,空间柔性机械臂宜采用混合坐标法描述臂杆刚性运动与柔性变形的耦合;开展关节精细动力学研究,宜将重点放在齿轮传动系统的低速级上。     

机器人组装超大型结构的姿-轨-柔耦合动力学仿真

机器人空间组装是建造超大型航天器的重要方式。当前针对空间组装的研究大多集中于小型结构,没有考虑万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应的影响。本文针对主结构-空间机器人-待组装结构组成的系统,建立姿-轨-柔耦合动力学模型,研究万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应对组装过程的影响。首先,将空间机器人看作刚体,将主结构和待组装结构看作柔性体,分别采用自然坐标法和绝对节点坐标法进行运动学描述;然后,考虑刚体和柔性体的动能、万有引力势能和弹性势能推导系统的Hamilton方程,计入万有引力和万有引力梯度的影响;最后,通过轨迹规划和轨迹跟踪控制实现空间机器人空间组装超大型结构的姿-轨-柔耦合动力学仿真,给出组装过程中系统的轨道运动、姿态运动、空间机器人关节空间和笛卡尔空间、结构振动等动力学响应。研究发现:万有引力梯度和姿-轨-柔耦合效应对空间机器人的控制力矩和组装精度产生显著影响,在组装方案设计和控制系统设计中必须予以考虑。     

基于多相机的空间机械臂视觉系统

视觉系统是空间机械臂的重要组成部分,空间机械臂除开环控制外的所有工作模式都不能离开视觉系统的引导和辅助而独立实现。文章以建立满足空间机械臂实际应用需求的视觉系统为目标,提出通过分布在不同空间位置的多个相机的协同工作扩展并增强视觉系统的监视和测量能力,并从系统组成、工作模式、测量方式等多方面完成空间机械臂视觉系统方案设计。仿真试验结果表明,目标三维位姿的测量误差与视觉标记点检测结果的误差近似成线性关系,视觉标记点检测的准确性对目标位姿测量的精度具有重要影响。室内环境试验结果表明,在视觉系统的引导下机械臂能够自主完成对目标的定位和捕获,视觉系统满足空间机械臂大范围运动和精准操作任务的应用需求。     

空间机械臂在轨维护任务规划与验证研究

随着我国空间站建设和载人航天计划的进一步实施,航天员舱外活动将成为实现复杂空间操作的重要任务。为了确保航天员在轨维护空间机械臂的任务规划切实可行与工作效率,需要将航天员在轨维护流程、工具装置操作过程进行仿真分析与地面试验验证。航天员在轨维护空间机械臂的任务是系统性工程,涉及维修流程设计、备件转移、航天员操作空间分析和操作能力分析等多方面内容。以航天员舱外维护空间机械臂为背景,建立空间站运营中航天员在轨维护机械臂的任务规划与验证系统,验证航天员可达性及维修过程可操作性分析,评估航天员在轨维护梦天舱机械臂任务设计的合理性,为后续开展航天员舱外活动训练与实施提供理论依据。     

柔性多体航天器单向递推组集建模方法

本文提出一种面向计算机建立柔性多体航天器动力学方程的新方法,其特点是完成运动学正向递推同时实现动力学方程的组集。这种方法不仅可提高航天器、空间机械臂动力学仿真的计算效率,而且可有效地克服数值积分病态的困难。文末一个空间四杆柔性机械臂的算例验证了这种建模方法的上述优点。     

冗余空间机械臂试探性搜索障碍规避策略

针对冗余空间机械臂的路径规划问题,研究了在构型空间内进行试探性搜索障碍规避的规划方法.在工作空间中对凸多面体障碍物进行碰撞检测算法研究,在此基础上建立7自由度冗余机械臂无碰撞的目标构型求解策略,并提出一种无碰撞路径试探性搜索算法,设计在构型空间中的机械臂路径试探算法,可在检测到碰撞后自主调整路径.仿真结果表明:与常规构...