载人航天器仿人型机械臂系统发射过程抑振特性试验研究

“天宫二号”仿人型机械臂系统内部由大量精密电子元器件及高精度传动组件构成。为抑制发射上行过程中复杂振动、冲击环境对机械臂工作性能的影响,设计了一种适用于载人航天器仿人型机械臂的减振软包上行方案,并对这种被动抑振方案的有效性进行了力学环境试验验证。试验结果表明,减振软包可有效抑制发射段力学载荷对仿人型机械臂系统的影响,机械臂操作精度指标满足要求。“天宫二号”机械臂系统在轨飞行任务的圆满完成进一步验证了减振软包对于降低机械臂承受发射段力学载荷的有效性。     

天宫二号和神舟十一号载人飞行任务过程回放

正9月15日22时04分,搭载天宫二号空间实验室的长征二号F T2运载火箭,在我国酒泉卫星发射中心点火发射,约575秒后,天宫二号与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。9月16日,在北京航天飞行控制中心精确控制下,天宫二号成功实施了两次轨道控制,顺利进入在轨测试轨道。进入在轨测试轨道后,地面人员对天宫二号平台上各分系统的基本功能和稳定性进行了测试,还利用搭载的有效载荷开展一系列空间科学试验活动。     

基于主任务零空间的空间机械臂重复运动规划

针对空间机械臂执行封闭在轨操作任务时,终止时刻机械臂关节角与基座位姿发生漂移的问题,提出一种基于主任务零空间的空间机械臂重复运动规划方法。结合在轨操作任务特点,分析了空间机械臂重复运动要求,将重复运动问题转化为关节构型、末端姿态与基座姿态复位优化问题并设计了空间机械臂重复运动优化算子;在此基础上,引入任务优先级概念,将重复运动优化算子引入主任务的零空间,保证主任务完成的同时机械臂重复运动得以优化;进而为增强重复运动优化能力,空间机械臂基座姿态保持算子也被引入。仿真结果表明,新算法能够减小关节角与基座位姿的漂移,实现空间机械臂重复运动规划,可以应用于实际的控制系统中。     

一种用于空间机械臂的 微重力模拟悬吊配重试验系统

空间机械臂工作在空间微重力环境中,广泛用于太空中的舱段对接、在轨维修等操作,因此需要在地面模拟微重力环境以满足空间机械臂研制试验要求。文章基于国内外模拟微重力环境领域技术现状,依据型号研制试验要求,提出了一种用于大型空间机械臂性能和可靠性验证的微重力环境模拟悬吊配重试验系统,并给出了悬挂机构子系统、二维随动子系统、恒拉力子系统、位姿测定子系统的设计思路和具体方案。     

空间机械臂手系统在轨精细维修操作的标定策略

分析空间机械臂手系统在轨精细维修操作的尺寸链误差,提出一种利用机械臂手眼相机标定维修操作对象修正离线路径规划的策略,解决了机械臂、维修对象在轨安装和天地重力差异带来的误差环节,设计并完成了地面试验。通过在轨实施验证了标定策略的正确性,圆满完成了我国空间机械臂首次在轨维修试验。     

安全舒适的太空“大开间”——天宫二号结构机构分系统探秘

正天宫二号的规模与天宫一号一致,也是一个长期在轨自动运行、短期载人的飞行器,是我国建造空间站之前进行技术验证的重要阶段,要进一步验证空间交会对接技术及进行一系列空间试验。如果把这个对接组合体比作太空居室,那么天宫二号结构则是这个"大开间"的主结构,航天员将在其中工作与生活。那么这个大开间有哪些奥妙之处呢?记者走进了中国航天科技集团公司五院总体部,一探天宫二号结构机构分系统的奥妙。固若金汤     

驻守太空新家

6月18日,天宫一号与神舟九号首次自动交会对接成功。17fl,1-06分,航天员景海鹏成功开启天宫一号目标飞行器实验舱舱门,以漂浮姿态进入天宫一号,中国航天员首次访问在轨飞行器获得圆满成功。随后刘旺和刘洋也陆续进入天宫一号,3名航天员一起微笑挥手致意,第一次在中国的空间实验室留下了“全家福”。在距离地球30万米的高空,3位航天员开始了为期10天的的生活和工作。     

我国首个空间实验室天宫二号发射成功

正9月15日晚22点04分,沐浴在中秋皎洁月光之中的酒泉卫星发射中心响起了一声巨大的轰鸣声。我国首个空间实验室天宫二号在"神箭"长征二号F运载火箭的托举下,直刺苍穹,踏上了它的太空旅程。经过575秒飞行以后,天宫二号与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。按计划,天宫二号发射升空后,将变轨进入高度约384千米的运行轨道,进行在轨测试。     

基于遗传算法的空间自由漂浮机械臂系统运动规划

为了研究空间自由漂浮机械臂系统的运动规划问题,本文将其动力学模型转化为以关节角速度为控制输入变量的非线性控制系统状态方程,确定了以能耗最小为主要目标,同时满足一定约束条件的多种目标函数,提出了运用遗传算法求解最优控制变量的运动规划方法。同时,以机械臂从初始位形运动至指定终端位形的过程为仿真算例,对上述规划算法及其应用进行了分析和验证。仿真结果表明该算法有效可行,能够为机械臂系统的空间操作提供理论参考。     

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。     

七自由度空间机械臂避障路径规划方法

针对七自由度空间机械臂在轨捕获目标任务的需求,提出了一种避障路径规划方法。主要是根据机械臂和障碍物的几何特征,对机械臂模型和障碍模型进行简化;通过研究机械臂自身所固有的几何特性和障碍物的位姿坐标,分析机械臂各杆件与障碍物发生碰撞的条件,进而求出空间机械臂的无碰撞自由工作空间;利用优化的A＊算法,在七自由度空间机械臂的自...     

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。     

重力梯度对自由漂浮空间机器人姿态扰动分析

分析重力梯度对在轨运行的自由漂浮空间机器人姿态运动影响。由Lagrange方法建立自由漂浮空间机器人受重力梯度扰动的非线性动力学模型。首先,考虑无控关节自由状态,分析重力梯度对关节运动的影响。其次,利用相平面轨迹分析重力梯度对自由漂浮系统姿态运动影响。最后,由速度偏差曲线分析重力梯度对机械臂的影响。结果表明,当作用时间接近轨道周期或更长时,重力梯度引起的关节偏差已十分显著,且这种扰动作用主要由轨道偏心率决定;关节锁定时俯仰姿态受扰运动有周期振动与翻滚两种形式,若初始角速度满足一定限值可以保证俯仰运动不发生翻滚;当机械臂长时间工作时,忽略重力梯度将产生明显的末端定位误差。     

参数不确定空间机械臂系统的自适应鲁棒性联合控制

本文讨论载体位置与姿态均不受控制的自由浮动空间机械臂系统的控制问题，基于增广变量法，提出当机械臂与载荷参数不确定时自由浮动空间机械臂追踪惯性空间期望轨迹的自适应棒性联合控制方法。通过仿真运算，证实了方法的有效性。     

空间机械臂非完整运动规划的遗传算法研究

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时，系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统。由于非完整约束的不可积性，非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多。现利用非完整特性研究了自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动控制问题。首先导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型，并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。在运动规划中，根据最优控制原理和优化理论，提出基于遗传算法的最优运动规划数值算法。通过数值仿真，表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的。     

Dynamics and control of variable-geometry truss structures

Variable-geometry truss structures are likely to be used extensively in the future for in-orbit space construction. This paper considers dynamics formulation and vibration control of such structures. The truss system is modelled as a collection of sub-structures consisting of truss booms, prismatic actuator elements, and in some cases a manipulator at the end. Each truss boom is treated as a separate ‘link’ and its flexibility is modelled using the finite element method. Equations of motion for individual sub-structures are obtained which are then assembled. The non-working constraint forces are eliminated to obtain the equations governing the constrained dynamics of the entire system. For vibration control, the singular perturbation method is employed to construct two reduced-order models, for quasi-static motion and for modal co-ordinates, respectively. Computed torque with PD control is applied to maintain the quasi-static motion, while an optimal LQR method is used for vibration control. Typical simulation results are presented for the planar case.     

星载激光通信终端在轨机动对温度影响

对激光通信终端在轨瞬态温度变化开展了仿真，以期研究在轨机动的影响、热分析和热试验时机动模式的简化模拟。通过合理地分析与简化，建立终端的轨道热分析模型，准确模拟在轨机动，根据典型机动模式、外热流和涂层退化等因素设计了计算工况，得出了终端在轨运行过程中的温度场随时间和姿态变化规律。结果表明：不同机动模式下的温度变化存在差异，最大可达23.0℃，采用固定姿态或一维转动的简化热分析或热试验不能准确模拟实际飞行温度，甚至不能部分替代二维转动热分析或热试验；光学天线和反射镜的温度控制是制约终端工作的瓶颈，为终端设计合适的避光机动策略，可大幅度提高温度稳定度和均匀度。研究结果可以为光机电设备在轨机动策略的设计和改进提供参考。     

Dynamics analysis of space robot manipulator with joint clearance

A computational methodology for analysis of space robot manipulator systems, considering the effects of the clearances in the joint, is presented. The contact dynamics model in joint clearance is established using the nonlinear equivalent spring-damp model and the friction effect is considered using the Coulomb friction model. The space robot system dynamic equation of manipulator with clearance is established. Then the dynamics simulation is presented and the dynamics characteristics of robot manipulator with clearance are analyzed. This work provides a practical method to analyze the dynamics characteristics of space robot manipulator with joint clearance and improves the engineering application. The computational methodology can predict the effects of clearance on space robot manipulator preferably, which is the basis of space robot manipulator design, precision analysis and ground test.     

去型号化接收机地面环境模拟试验充分性验证

为考察针对去型号化接收机的地面各项环境模拟试验是否能充分有效验证在轨工作环境，利用高灵敏度接收机对噪声的敏感特性，选取通道AGC作为环境模拟试验充分性验证参数；根据多台去型号化接收机的地面试验数据，分析多批次接收机的AGC参数一致性，得到去型号化接收机通道参数差异很小的结论；在此基础上，通过对多台高灵敏度接收机在轨AGC数据与地面环境试验AGC数据的比对，明确了由环境差异导致的AGC数值差异范围，可以为后续产品的地面环境试验和在轨飞行提供参考。对多台接收机在轨飞行接收机通道底噪变小的现象进行分析，得到地面环境试验模拟的电磁环境条件比空间电磁环境更恶劣的结论。