空间机器人捕获漂浮目标的抓取策略研究(英文)

空间机器人捕获漂浮目标时,机械臂手部与目标之间不可避免地发生频繁的接触碰撞,严重影响空间机器人本体的位姿与抓取安全。本文引入了"动态抓取域"描述机械臂抓取目标时的碰撞过程,建立了抓取域控制方程,并分析了抓取控制参数及基体和目标质量等对抓取过程的影响,结合生活经验发现当速度控制参数与调配增益系数乘积接近并小于最小抓取速度时,能够极大的减小抓取过程中的碰撞冲击,进而给出了理想的抓取策略。结果表明:在相同抓取时间下,应用抓取策略明显优于加速抓取,碰撞力幅值降低到加速抓取时的20%左右,且姿态控制力矩仅为加速抓取的15%,对空间机器人的激振冲击明显消除。抓取策略的研究对空间机器人的捕获抓取有着重要的理论价值及工程实际意义。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

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。     

空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

基于空间环境和在轨任务的特殊性导致的空间机器人不同于地面机器人的特点,讨论了面向航天产业的核心技术路线图的确定方法,论述了航天员心理陪护机器人的要求和研究方法,重点分析了非合作目标捕获过程面临的非线性碰撞接触动力学等前沿科学问题和冲击载荷下空间漂浮系统的稳定控制等关键技术;并针对未来空间装备巨型化趋势,介绍了大型机械臂研制、多机器人协调和大延迟下对机器人系统智能化的研究进展。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程冲击动力学建模及基于非线性滤波器的镇定运动控制

研究了空间机器人系统捕获目标卫星时发生碰撞的冲击效应及之后的稳定控制问题。首先利用拉格朗日第二类方程建立了空间机器人系统的动力学模型,目标物的动力学方程则通过牛顿欧拉法获得。其次利用运动几何关系及动量守恒原理,分析了碰撞冲击对系统的影响。对于两者接触后形成失稳的联合体系统,设计了输出反馈控制方案,以完成稳定控制。同时,考虑到空间机器人输入力矩有限的条件,运用带饱和函数的控制率将控制力矩限制在一定范围内。该方案利用非线性滤波器估测机械臂关节的速度,使其在控制过程中仅需测量系统位置信息。最后,通过李雅普诺夫判据证明了系统的稳定性。数值仿真实验模拟了碰撞冲击效应,并验证了上述控制方案的有效性。     

空间机器人双臂捕获卫星后闭链系统的滑模变结构控制

研究了双臂空间机器人系统捕获目标时发生碰撞的冲击效应及之后形成的闭链系统的稳定控制问题。针对具有漂浮基的空间机器人系统及目标系统,分别采用拉格朗日第二类方程及牛顿欧拉法分别建立其动力学模型。在双臂空间机器人捕获目标的过程中,利用力的传递关系及运动几何关系,分析了两者的瞬间碰撞冲击效应。对于两者接触后形成翻滚的联合体系统,结合闭环约束条件及总动量守恒原则,获得了闭链系统动力学方程;并设计了滑模变结构控制方案,以完成镇定运动控制。考虑到空间机器人闭链系统存在控制器冗余的情况,运用最小权值范数法,均衡分配各关节力矩。最后采用数值仿真实验模拟了碰撞冲击效应及镇定过程,并验证了上述控制方案的有效性。     

空间机械臂绳索式末端执行器柔顺抓捕策略研究

针对机械臂抓捕非合作目标过程碰撞冲击大易造成基体偏转或目标逃逸的问题,提出并实现了快速接近-慢速接触-速度跟踪(FA-SC-VT)的末端捕获策略,并基于建立的系统全数字仿真模型对捕获策略进行了仿真验证,结果表明FA-SC-VT捕获策略与匀速捕获策略相比,可大幅减小机械臂捕获目标过程末端产生的冲击力,并可有效解决目标捕获过程中的逃逸问题。     

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。     

基于机器人柔性毛刷的空间翻滚目标消旋

设计了一种柔性减速刷消旋机构，将其安装于七自由度机械臂的末端，通过与翻滚目标帆板之间的接触碰撞进行消旋。利用绝对节点坐标法推导了柔性减速刷的动力学模型，并对其接触碰撞进行分析。针对自由漂浮空间机器人动力学建模和基座姿态的控制进行了研究，采用基于计算力矩法的滑模控制策略，对末端参数不确定的七自由度机械臂进行控制。滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏等特点，确保了系统的全局鲁棒性和稳定性。有利于节省消旋时间，提高消旋效率。通过PD控制和滑模控制消旋仿真验证，该消旋策略能够成功消除初始旋转速度，消旋程度达90%以上，具有可行性与有效性。     

一种基于位置阻抗的机械臂抓捕飞行器控制方法

针对机械臂抓捕飞行器过程碰撞冲击大或发生大构型变化易碰撞问题,提出并实现了一种基于位置闭环的阻抗控制方法,通过对机械臂末端等效刚度控制实现机械臂抓捕目标过程的柔顺控制,基于建立的系统全数字仿真模型对控制效果进行了仿真验证,结果表明阻抗控制软抓捕与位置保持硬抓捕相比,可大幅减小机械臂抓捕目标过程末端与目标间的碰撞冲击力,并且能控制机械臂构型在抓捕中不产生过大变化从而避免碰撞。     

Grasping Strategy in Space Robot Capturing Floating Target

When the space robot captures a floating target, contact impact occurs inevitably and frequently between the manipulator hand and the target, which seriously impacts the position and attitude of the robot and grasping security. “Dynamic grasping area” is introduced to describe the collision process of manipulator grasping target, and grasping area control equation is established. By analyzing the impact of grasping control parameters, base and target mass on the grasping process and combining the life experience, it is found that if the product of speed control parameter and dB adjustment parameter is close to but smaller than the minimum grasping speed, collision impact in the grasping process could be reduced greatly, and then an ideal grasping strategy is proposed. Simulation results indicate that during the same period, the strategy grasping is superior to the accelerating grasping, in that the amplitude of impact force is reduced to 20%, and the attitude control torque is reduced to 15%, and the impact on the robot is eliminated significantly. The results would have important academic value and engineering significance.     

基于抓持稳定度的多指灵巧手抓持控制

 提出了一种控制多指灵巧手稳定抓持物体的新方法。首先给出了接触稳定度和抓持稳定度的定义及其相应的计算方法，然后探讨了基于抓持稳定度的多指灵巧手抓持控制方法。最后以北京航空航天大学的BH-2新型三指灵巧手为背景，对所提出的方法进行了仿真验证，仿真结果证明所提方法是有效可行的。     

机器人系统的动态混合力/位置控制的几何原理

 基于在位形空间中受约束系统的几何性质,对机器人系统的运动及所受的约束力进行研究。通过引入法空间及切空间的概念,实现了机器人运动及力的解耦控制,从而简化了控制系统。通过对双臂机器人系统的位置/力动态混合控制的数字仿真,说明本方法简单、可行。     

空间机器人抓捕目标后的载荷分配

针对多臂空间机器人以软指接触形式抓捕目标后的情形，提出了一种综合考虑摩擦约束及机械臂能力约束的目标期望合外力的载荷分配方法。首先，建立空间机器人系统与目标的动力学方程，作为载荷分配问题的基础。然后，在地面机器人相关研究的基础上，建立机械臂末端与目标表面的软指接触模型，并建立二者之间的运动约束关系。为简化优化计算，将摩擦锥约束线性化，并建立考虑关节扭矩限制的机械臂能力约束，从而将抓捕力优化的非线性规划问题转化为线性规划问题。最后，采用双臂空间机器人模型进行数值仿真，表明所提方法针对目标各种形式运动进行载荷分配的有效性。     

Capture and detumbling control for active debris removal by a dual-arm space robot

Active debris removal (ADR) technology is an effective approach to remediate the proliferation of space debris, which seriously threatens the operational safety of orbital spacecraft. This study aims to design a controller for a dual-arm space robot to capture tumbling debris, including capture control and detumbling control. Typical space debris is considered as a non-cooperative target, which has no specific capture points and unknown dynamic parameters. Compliant clamping control and the adaptive backstepping-based prescribed trajectory tracking control (PTTC) method are proposed in this paper. First, the differential geometry theory is utilized to establish the constraint equations, the dynamic model of the chaser-target system is obtained by applying the Hamilton variational principle, and the compliance clamping controller is further designed to capture the non-cooperative target without contact force feedback. Next, in the post-capture phase, an adaptive backstepping-based PTTC is proposed to detumble the combined spacecraft in the presence of model uncertainties. Finally, numerical simulations are carried out to validate the feasibility of the proposed capture and detumbling control method. Simulation results indicate that the target detumbling achieved by the PTTC method can reduce propellant consumption by up to 24.11%.     

基于多智能体强化学习的空间机械臂轨迹规划

针对某型六自由度（DOF）空间漂浮机械臂对运动目标捕捉场景，开展了基于深度强化学习的在线轨迹规划方法研究。首先给出了机械臂DH （Denavit-Hartenberg）模型，考虑组合体力学耦合特性建立了多刚体运动学和动力学模型。然后提出了一种改进深度确定性策略梯度算法，以各关节为决策智能体建立了多智能体自学习系统。而后建立了"线下集中学习，线上分布执行"的空间机械臂对匀速直线运动目标捕捉训练系统，构建以目标相对距离和总操作时间为参数的奖励函数。最后通过数学仿真验证，实现了机械臂对各向匀速运动目标的快速捕捉，平均完成耗时5.4 s。与传统基于随机采样的规划算法对比，本文提出的自主决策运动规划方法求解速度和鲁棒性更优。     

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。     

Adaptive block dynamic surface control for integrated missile guidance and autopilot

A novel integrated guidance and autopilot design method is proposed for homing missiles based on the adaptive block dynamic surface control approach. The fully integrated guidance and autopilot model is established by combining the nonlinear missile dynamics with the nonlinear dynamics describing the pursuit situation of a missile and a target in the three-dimensional space. The integrated guidance and autopilot design problem is further converted to a state regulation problem of a time-varying nonlinear system with matched and unmatched uncertainties. A new and simple adaptive block dynamic surface control algorithm is proposed to address such a state regulation problem. The stability of the closed-loop system is proven based on the Lyapunov theory. The six degrees of freedom (6DOF) nonlinear numerical simulation results show that the proposed integrated guidance and autopilot algorithm can ensure the accuracy of target interception and the robust stability of the closed-loop system with respect to the uncertainties in the missile dynamics.