多阶复合振动的模糊推理移相控制研究

针对空间柔性结构阻尼小、非线性以及不确定性等特点,采用模糊推理智能控制方法,对柔性结构多阶频率的振动进行控制。结果表明,模糊推理智能控制对于非线性、不确定性结构的振动控制较为有效,控制精度较高,并有较强的鲁棒性和稳定性。     

空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制

提出了动态抓取域用于空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。首先建立了空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入了末端装置抓取目标时的碰撞模型,并提出了"动态抓取域"用于机械臂抓取目标时的控制,同时应用关节主动阻尼控制,以减小抓取碰撞激振对空间机器人冲击的影响。结果表明:在相同抓取时间下,加速抓取明显优于匀速抓取,碰撞力振幅减小至匀速抓取时的20%,对空间机器人的激振冲击明显消除,仅在抓取结束前有小幅激振。这对空间机器人的抓取控制有着重要的理论价值及工程实际意义。     

空间遥操作人体动作捕捉相似性控制方法

针对传统空间遥操作控制方法灵活性不足的问题,提出了一种ATSMS(Adaptive Terminal Sliding Mode Similarity,自适应终端滑模相似性)控制方法。该方法在利用动作捕捉技术采集操作者手臂末端位置和关节角数据的基础上,设计了ATSM(Adaptive Terminal Sliding Mode,自适应终端滑模)控制器,精确控制空间机器人的末端位置;还设计了钳位速度,控制机器人关节构型趋向于操作者手臂关节构型,且不会影响末端位置的精确控制。数值仿真和地面实验结果表明,ATSMS控制方法可以实现操作者对空间机器人末端位置的精确控制和关节空间的灵活控制,末端位置控制精度约为97.58%,操作者手臂与机器人关节空间平均相似度高达99.06%。因此,ATSMS控制方法提高了空间遥操作的灵活性,可以应用于未来更为精细和复杂的空间遥操作任务中。     

冗余度柔性机器人动态响应主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题。建立了该离散时变动力学系统的状态空间表达式。根据离散量小值原理设计了LQR最优控制律，并提出了一种状态估计的近似方法。平面3R冗余度柔性机器人的仿真算例表明，采用这种主动控制方法可使冗余度柔性机器人的动力学特性得到显改善。     

空间拦截非线性控制问题的高精度计算

在空间拦截非线性控制问题数学模型的基础上，采用动力系统的一种高精度计算方法－时程精细分法，对非线性空间拦截问题进行了研究，其主要步骤为，首先将非线性控制问题线性化，使其满足精细积分算法的要求，进而根据线性化的方程，建立一套处理非线性问题的精细迭代算法，该算法不仅具有很高的计算精度，还具有很好的数值稳定一。     

基于机敏材料的冗余度柔性机器人复模态主动控制

研究了基于机敏材料的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题。应用复模态理论对机器人的动力学方程进行解耦 ,建立了受控系统的状态空间表达式。利用极小值原理设计了连续LQR状态反馈控制器 ,并根据对偶原理设计了具有指定稳定度的Luenberger全维状态观测器。平面 3R冗余度柔性机器人的仿真算例表明 ,该方法可以显著改善受控系统的动力学性能。     

柔性冗余度机器人振动的分析与控制

应用最优控制理论,对柔性冗余度机器人振动控制问题的原理与策略进行了研究。把主动控制思想应用于机器人振动控制中,提出了控制柔性冗余度机器人振动的一种方法。这种方法通过规划机器人的自运动加快系统振动能量的消耗以实现主动振动控制。此外,通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人具有二次优化的能力,这对于提高机器人的工作性能是十分重要的。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

飞机油箱检查机器人的仿生结构及运动学研究

针对民航飞机油箱等内部结构复杂且充满危险气体的环境需要进行三维检查的问题,研究设计了基于仿生学的机器人结构.该机器人具有多个柔性的连续型关节,采用线驱动方式控制关节的弯曲及旋转.对具有柔性特征的连续型单关节采用投影曲率法和虚坐标变换法建立了驱动绳长变化量、关节角变量和关节末端位姿三者之间的映射关系.在分析单关节运动学基础上推导出了多关节之间解耦运动学方程.对机器人进行了三维建模,采用仿真实验验证了在油箱内的空间可达性.通过实验样机实验,进一步验证了机器人的空间运动能力和所提出的运动学方法的正确性.     

基于阻抗内环的新型力外环控制策略

对于空间装配等与环境进行交互的任务,迫切要求空间机器人具有力控制的能力。利用机器人的关节力矩传感器,提出了一种新型的基于阻抗内环的力外环控制策略。在该方法中,内环采用阻抗控制代替传统的位置控制。阻抗控制内环使机器人具有一定的柔顺性,力外环通过期望力与实际力的误差对内环的参考轨迹进行修正,实现了机器人的力跟踪控制。另外,为了验证利用关节力矩传感器间接测量末端接触力的效果,机器人末端安装了一个高精度的JR3腕力传感器用来直接测量实际接触力。在基于位置内环和阻抗内环的力外环控制方式下,进行了机器人接触刚度变化较大环境（海绵、泡沫和铁块）的力跟踪实验。实验表明,当环境刚度变化较大时,相对于传统的力外环方法,本文提出的方法能够实现稳定的力跟踪性能。尤其对于铁块这种刚度很大的环境,该方法的有效性更加明显。     

协作机器人外力感知与交互控制研究现状及展望

协作机器人指的是一种能够在共享工作空间中实现物理人–机器人交互并执行协作任务的机器人系统。协作机器人正逐渐融入人类社会,与人类、其他机器人或非结构化环境等进行密切和复杂的交互。机器人–环境物理交互过程,外力感知和交互控制对于保证其安全性并提高其交互性能具有非常重要的意义。分别从外力感知、协作控制以及认知控制3个方面对协作机器人的研究现状进行综述,并对协作机器人感知与控制领域的研究进行展望。     

机器人在轨装配无标定视觉伺服对准方法

针对在轨装配过程中机器人"手眼"关系无法进行有效标定及机器人系统和被操作物惯性参数不定的情况,在传统的无标定视觉伺服基础上设计了深度估计器,基于机器人和图像运动的测量数据在线估计目标特征的深度值,并在机器人关节控制环中设计滑模控制器实时控制机器人关节运动,根据反馈图像信息纠正系统误差完成对准跟踪,通过仿真验证了方法的有效性。所提的无标定视觉伺服对准方法使机器人在装配过程中免去了复杂的"手眼"关系的标定程序,克服了机器人系统及被操作物惯性参数不确定性给装配精度造成的影响,提高了"手眼协调"的鲁棒性,保证机器人能够在复杂的太空环境下完成在轨装配任务。     

Dynamic modeling and beating phenomenon analysis of space robots with continuum manipulators

Space robotics has been used extensively in complex space missions. Rigid-manipulator space robots may suffer from rigid-body collisions with targets. This collision is likely to cause damage to the space robot and the target. To overcome such a problem, a novel Continuum-Manipulator Space Robot (CMSR) for performing on-orbit servicing missions is proposed in this paper. Compared with rigid-manipulator space robots, CMSRs are able to perform compliant operations and avoid rigid-body collisions with a target. The CMSR consists of two kinds of flexible components, including solar arrays and continuum manipulators. The elastic vibrations of these flexible components disturb the position and attitude of CMSRs. The beating phenomenon introduced by the energy transfer among these flexible components can cause damage to solar arrays. The complicated dynamic coupling poses enormous challenges in dynamic modeling and vibration analysis. The dynamic model for CMSRs is derived and the mechanism of the beating phenomenon is analyzed in this paper. Simulation results show that an obvious beating phenomenon occurs and the amplitude of the solar arrays increases significantly when the natural frequencies of two kinds of flexible components are close. A method is provided to avoid the beating phenomenon.     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

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。     

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。     

Adaptive fuzzy terminal sliding mode control for the free-floating space manipulator with free-swinging joint failure

Space manipulator with free-swinging joint failure simultaneously contains kinematic and dynamic coupling relationships, so it belongs to a new underactuated system. To allow the manipulator to carry on tasks, an effective robust underactuated control method for the space manipulator with free-swinging joint failure is studied in this paper. Considering the effect of model uncertainty and joint torque disturbance, a robust underactuated control system based on the Terminal Sliding Mode Controller (TSMC) is designed, but two drawbacks are discussed: (A) Robustness depraves with eliminating chattering. (B) Control parameters are difficult to be determined under unknown uncertainty and disturbance. To improve the TSMC, the adaptive fuzzy controller is introduced to estimate the real effect of unknown uncertainty and disturbance according to deviations of sliding mode and its reaching law. The estimated result is directly compensated into active joints torque. In simulation, the space manipulator with free-swinging joint executes tasks based on the TSMC and the Adaptive Fuzzy Terminal Sliding Mode Controller (AFTSMC) respectively. Same tasks can be finished with smaller joints torque and stronger robustness based on the AFTSMC. Therefore, AFTSMC can serve as an effective robust control method for the space manipulator with free-swinging joint failure under unknown model uncertainty and torque disturbance.     

A Backstepping Simple Adaptive Control Application to Flexible Space Structures

Although the simple adaptive control (SAC) is widely studied both in theory and application in flexible space structure control and other control problems, it is restricted by the almost strictly positive real (ASPR) conditions. In most practical control problems, the ASPR conditions are not satisfied. Therefore, based on the SAC theory, this paper proposes a backstepping simple adaptive control algorithm which suits the system with arbitrary relative degree with no need of parallel feedforward compensator. The proposed control algorithm consists of decomposition of the arbitrary relative degree system into a known subsystem and an unknown ASPR subsystem which are connected in cascade, design of constant output feedback controller for the known subsystem, and implementation of backstepping method and SAC of the unknown ASPR subsystem. Inheriting the characteristics of the SAC, this method can be adaptive online for the parameter uncertainties. Then, the application of the proposed controller to large flexible space structure with collocated sensors and actuators is studied, and the simulation results validate the proposed controller. It is a new strategy to apply the classical SAC to high relative degree plants.     

考虑连接非线性的大型桁架天线分散协调控制

针对含非线性连接的大型桁架式天线,考虑铰链非线性所产生的影响,基于连接子结构模态综合建模方法,建立其低阶非线性动力学模型。在此基础上,将动力学模型转换为分散参数化模型,并考虑状态变量不完全可测因素,设计适用于一致性理论的最优观测器。然后基于图论的思想提出桁架式天线的一致性形面保持控制方法,不仅实现了桁架式天线的高精度形面保持控制,同时对作动执行机构的失效具有容错性。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

Workspace,stiffness analysis and design optimization of coupled active-passive multilink cable-driven space robots for on-orbit services

The use of space robots (SRs) for on-orbit services (OOSs) has been a hot research topic in recent years. However, the space unstructured environment (i.e.: confined spaces, multiple obstacles, and strong radiation interference) has greatly restricted the application of SRs. The coupled active-passive multilink cable-driven space robot (CAP-MCDSR) has the characteristics of slim body, flexible movement, and electromechanical separation, which is very suitable for extreme space environments. However, the dynamic and stiffness modeling of CAP-MCDSRs is challenging, due to the complex coupling among the active cables, passive cables, joints, and the end-effector. To deal with these problems, this paper proposes a workspace, stiffness analysis and design optimization method for such type of MCDSRs. Firstly, the multi-coupling kinematics relationships among the joint, cables and the end-effector are established. Based on hybrid series-parallel characteristics, the improved coupled active–passive (CAP) dynamic equation is derived. Then, the maximum workspace, the maximum stiffness, and the minimum cable tension are resolved, among them, the overall stiffness is the superposition of the stiffness produced by the active and the passive cable. Furthermore, the workspace, the stiffness, and the cable tension are analyzed by using the nonlinear optimization method (NOPM). Finally, an 8-DOF CAP-MCDSR experiment system is built to verify the proposed modeling and trajectory tracking methods. The proposed modeling and analysis results are very useful for practical space applications, such as designing a new CAP-MCDSR, or utilizing an existing CAP-MCDSR system.