自由飞行空间机器人的运动学建模研究

空间机器人将在未来的空间项目中发挥重要的作用。但在空间环境中，由于缺乏一个固定的基座，机械臂的运动会对机器人本体的位置和姿态产生扰动，其运动学将变得很复杂。为建立自由飞行空间机器人的运动学模型，通常是将系统的动量表达为某个预先选定连杆的速度的函数，进而得到具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型。这种方法的缺点是系统的动量无法以通用表达式描述，并且对如何最优选取连杆也缺乏必要的说明和讨论。本文对此进行了研究，得到了自由飞行空间机器人系统动量的通用表达式；通过选取相应的连杆，得到了具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型；也分析和讨论了连杆优选问题。     

一种改进阻尼倒数的空间机器人避奇异算法

针对自由漂浮空间机器人运动规划过程中存在的动力学奇异问题,提出一种动力学奇异转化加改进阻尼倒数的奇异回避算法。首先,通过运动学分解,间接求解机器人逆运动学方程,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,以实现奇异参数的分离;然后,采用改进的高斯分布阻尼因子的阻尼倒数代替奇异参数的普通倒数,回避运动学奇异的影响。与现有阻尼倒数方法相比,提高了算法在奇异点附近的连续性,进一步减小了算法带来的跟踪误差。在PUMA类型空间机器人模型上进行仿真试验,校验算法的有效性。     

基于参数辨识的冗余自由飞行空间机器人多臂协调运动规划

根据空间机器人姿态干扰特性，本文提出了利用多层间向神经网络来辨识自由飞行空间机器人本体质量的算法。其次，提出了基于姿态受限广义雅可比矩阵的多臂协调运动规划方法，较好地解决了多臂自由飞行空间机器人进行空间作业时的运动规划和姿态控制问题。     

刚柔混合双臂空间机器人抓持－操作协同规划

针对狭小空间内的在轨维修操作,提出了一种基于受限空间可操作度优化的刚柔混合双臂协调轨迹规划方法。根据绳驱柔性臂的结构特性对其进行运动学等效,并完成了刚柔混合双臂等效运动学模型的建立,得到基座漂浮状态下的广义雅可比矩阵以及对应的零空间投影矩阵。以任务操作方向上的可操作度为优化指标,通过零空间投影矩阵建立优化函数方程;同时基于分解运动速度控制,通过广义雅可比矩阵实现末端速度空间到关节速度空间的映射,实现了混合双臂抓持-操作目标的同步运动控制。最后,开发了基于联合仿真软件的混合双臂联合仿真系统,仿真结果验证了上述方法的有效性。     

多个自由飞行空间机器人协调操作运动规划

本文提出了在空间微重力环境下多个自由飞行空间机器人协调操作运动规划算法，首先推导出多个自由飞行空间机器人协调操作的广义雅可比矩阵，其次给出了基于该矩阵的多个自由飞行空间机器人协调操作分解运动速度控制算法，最后用计算机仿真验证了该算法的正确性。     

自由浮动空间双臂机器人的鲁棒协调控制

研究自由浮动空间双臂机器人在本体位置、姿态均不加控制时,抓取物体运动情况下的动力学协调控制。根据空间双臂机器人抓取系统的闭链约束关系,推导出广义雅可比矩阵,针对抓取系统动力学模型的不确定性,提出一种鲁棒协调控制方法,来控制被抓物体的运动,使被抓物体的运动轨迹跟踪期望的运动轨迹,并保证内力跟踪误差的有界性。通过对自由浮动空间平面双臂机器人进行鲁棒协调控制仿真实验,结果表明了该方法的有效性。     

双臂空间机器人利用内部运动的姿态控制

本文对双臂自由漂浮空间机器人系统的姿态控制问题进行了研究 ,推导出了系统的运动学模型 ,证明了系统具有非完整的力学结构 ,并且提出了一种利用内部运动的机器人本体姿态控制算法。该算法可使机器人本体的姿态在机械臂完成任务的过程中保持不变或变化最小 ,仿真结果验证了算法的有效性。     

双臂空间机器人利用内部地部运动的姿态控制

本文对双臂自由漂浮空间机器人系统的姿态控制问题进行了研究，推导出了系统的运动学模型，证明了系统具有非完整的力学结构，并且提出了一种利用内部运动的机器人本体姿态控制算法。该算法可使机器人本体的姿态在机械臂完成任务的过程中保持不变或变化最小，仿真结果验证了算法的有铲性。     

自由飞行空间机器人捕捉运动目标的力矩控制算法及其仿真

本文研究了自由飞行空间机器人（ＦＦＳＲ）捕捉运动目标的力矩控制算法及其仿真。首先，建立了ＦＦＳＲ关节驱动力矩的求解算法；其次结合基于广义雅可比矩阵的分解运动速度控制方法提出了一种ＦＦＳＲ捕捉运动目标的力矩控制算法；最后，计算机仿真验证了本文提出算法的正确性。     

空间双臂机器人运动学及动力学分析与建模研究

针对空间双臂机器人运动学和动力学建模,对失重状态下空间机器人的运动学分析与建模进行了研究。给出了双臂机器人左右臂的DH坐标及参数,建立了正运动学的计算公式,基于臂形角的方法,给出了更高效的空间机器人冗余单臂的解析形式逆解求解方法。分析了空间双臂机器人全部工作状态,引入二元判定系数归纳得到了双臂独立运动、双臂协同操作、闭链本体漂浮、开链本体漂浮4种四种机器人工作状态,并基于拉格朗日方程得到了4种不同工作状态下的动力学模型。通过对空间双臂机器人运动学及动力学进行分析与建模,为空间双臂机器人的设计与研究提供理论基础。     

Practical approaches to handle the singularities of a wrist-partitioned space manipulator

Space robotic systems are expected to play an increasingly important role in the future. However, the control methods based on the inverse kinematics are affected by singularities. In this paper, practical approaches are proposed to solve the problems of a wrist-partitioned space manipulator. For spacecraft-referenced end-point motion control, we presented the singularity separation plus damped reciprocal (SSPDR) method, which separates the singularity parameters from the inverse of the Jacobian, and replaces their reciprocals using the damped reciprocals. For another control strategy, i.e. inertially referenced end-point motion control, including spacecraft attitude-controlled mode and free-floating mode, the linear momentum equation is used to eliminate three independent variables. With modifying some expressions, the SSPDR method is utilized to solve the singularities of spacecraft attitude-controlled space robot. When the space robot is free-floating, the singularities, i.e. the so-called dynamic singularities, cannot be predicted according to its kinematic structure. Combining with the measured angular velocity of the base, the dynamic singularity handling problem is transformed into real-time kinematic singularity avoiding problem, which can be solved by the SSPDR method. Since the SVD decomposition, the estimation of the minimum singularity value, and the calculation of the generalized Jacobian matrix are not required, the algorithm has lower computation load. Another advantage is that, only the accuracy of part velocity components is reduced by adding the damped coefficients. Simulation results verify the proposed approaches.     

采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究

本文研究采用变速控制力矩陀螺（VSCMG）的航天器姿态／能量一体化控制技术。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局稳定的姿态反馈控制律。以控制力矩陀螺群的构型奇异量度为依据，分别考虑了VSCMG的控制力矩陀螺（CMG）工作模式和反作用飞轮（RW）工作模式。在陀螺群接近奇异时启用转子的反作用飞轮工作模式来补偿控制力矩陀螺采用鲁棒伪逆操纵律时所引起的力矩误差；在陀螺群远离奇异状态时，用控制力矩陀螺来补偿转子储能带来的干扰力矩。在姿态控制的同时利用转子的变速特性，完成按照给定的功率存储／释放能量，并在陀螺群远离奇异状态时对储能过程中转子的转速进行调节，以保持良好地动量包络外形。最后以某航天器的姿态控制为例，给出了数值仿真结果。     

Inertia-independent generalized dynamic inversion feedback control of spacecraft attitude maneuvers

The generalized dynamic inversion control methodology is applied to the spacecraft attitude trajectory tracking problem. It is shown that the structure of the skew symmetric cross product matrix alleviates the need to include the inertia matrix in the control law. Accordingly, the proposed control law depends solely on attitude and angular velocity measurements, and it neither requires knowledge of the spacecraft's inertia parameters nor it works towards estimating these parameters. A linear time-varying attitude deviation dynamics in the multiplicative error quaternion is inverted for the control variables using the generalized inversion-based Greville formula. The resulting control law is composed of auxiliary and particular parts acting on two orthogonally complement subspaces of the three dimensional Euclidean space. The particular part drives the attitude variables to their desired trajectories. The auxiliary part is affine in a free null-control vector, and is designed by utilizing a semidefinite control Lyapunov function that exploits the geometric structure of the control law to provide closed loop stability. The generalized inversion singularity avoidance is made by augmenting the generalized inverse with an asymptotically stable fast mode that is driven by angular velocity error's norm from reference angular velocity. Asymptotic tracking is achieved for detumbling maneuvers as the stable augmented mode subdues singularity. If the steady state desired quaternion trajectories are time varying, then asymptotic tracking is lost in favor of close ultimately bounded tracking because the stable augmented mode continues to be excited during steady state phase of response. A rest-to-rest slew and a trajectory tracking maneuver examples are provided to illustrate the methodology.     

单框架控制力矩陀螺动态操纵律设计

作为应用在航天器上的惯性执行机构,单框架控制力矩陀螺(SGCMG)的操纵性能对航天器姿态控制精度有着极大的影响。在常规的SGCMG操纵律中,一般都需要计算Jacobi矩阵的伪逆。然而,当Jacobi矩阵奇异时,其伪逆不定,从而可能导致算法失败。为避免以上情况出现,本文设计了一种动态操纵律。该操纵律不用计算Jacobi阵的伪逆,而是代之以Jacobi阵的转置,从而避免了由Jacobi阵求伪逆带来的一系列问题。同时,该操纵律可使操纵误差在理论上指数收敛至零,且形式简单,易于实现。对某4 SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的。     

一种新型并联微动机器人运动学分析

提出了一种新型的少自由度微动并联机器人,利用螺旋理论对于微动并联机器人的自由度进行分析,得到机构正常运动时所需要的驱动个数。利用矢量方法得到微动并联机器人的运动学反解。基于雅可比矩阵的可逆性,研究了微动机器人的奇异问题,从而确定该微动并联机器人的输入和输出之间的关系。     

基于混合规划策略的空间机械臂运动规划研究

为改善自由漂浮机械臂对载体姿态无扰的运动规划的收敛性,提出一种基于Gauss伪谱方法和直接打靶法的混合规划策略。首先建立机械臂系统运动规划的数学模型,用Gauss伪谱方法将运动规划问题转化为带约束的非线性参数优化问题,采用遗传算法初步定位全局最优解,然后将得到的解作为直接打靶法的初值,采用序列二次规划算法求出精确最优解,从而利用Gauss伪谱方法计算量小、直接打靶法精度高的特点,快速获得机械臂对载体姿态无扰的运动规律。数值仿真的结果表明该混合规划策略能够快速求解机械臂系统的无扰运动规划问题,且具有较好的收敛性与鲁棒性。     

Trajectory correction maneuver design using an improved B-plane targeting method

A spacecraft for interplanetary mission is usually perturbed by some disturbance sources. The trajectory correction maneuver (TCM) is required to adjust this trajectory error, and the B-plane targeting method is widely used in this field. However, this B-plane targeting method is based on the differential correction algorithm, and a numerical Jacobian matrix is usually used for this algorithm. Therefore, our main goal in this paper is to suggest the improved B-plane targeting method to overcome the disadvantages of the conventional B-plane method which requires a numerical Jacobian matrix for the initial perturbation selection and iterations. For this improvement, an analytical Jacobian matrix is introduced instead of the numerical Jacobian matrix. Then, another B-plane approach that offers an analytical solution is suggested using the target eccentricity instead of the target time of closest approach (TCA). Using a modified Kepler's equation, the previous B-plane targeting approach can be replaced with the new method through the analytical solution.     

基于避障伪距离的自由漂浮空间机器人规划跟踪一体化控制

针对自由漂浮空间机器人(Free Floating Space Robot,FFSR)的避障规划与控制问题，提出一种FFSR的避障规划-跟踪一体化控制方法。首先，基于障碍物伪距离技术，采用FFSR逆几何模型求解期望末端位姿下的连杆伪距离估计值，进而通过求解非线性优化问题，获得FFSR避障期望轨迹。其次，将全局轨迹规划与局部在线避障相结合，辅以离散状态黎卡提方程（DSDRE）控制方法实现FFSR的避障规划-跟踪一体化控制。最后，采用6R空间机器人模型验证了所提方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够实现FFSR的避障控制，有效克服了传统FFSR控制中末端轨迹规划与控制相分离的问题，提高了FFSR的环境适应性。