机械臂辅助舱段转位轨迹跟踪控制与精度分析

舱段转位是空间站机械臂的核心任务之一,舱段转位过程中的高精度控制是保证实验舱与核心舱径向对接的重要前提。通过建立转位过程的高保真度仿真模型,分析了不同的整臂控制策略及关节控制策略对转位过程中机械臂轨迹跟踪精度的影响;指出了提高整臂控制精度需要整臂控制和关节控制协调设计,提高关节伺服控制带宽和降低关节目标速度频率都是提高机械臂末端跟踪精度的有效方法。     

空间机械臂技术发展综述

介绍了国外载人航天中的航天飞机、国际空间站上的典型空间机械臂系统,概述了用于我国空间站建造和维护任务的空间站机械臂系统,详述了其中核心舱机械臂和实验舱机械臂的任务要求和基本方案,重点阐述了实验舱机械臂的关节、末端作用器、控制器以及遥操作子系统的方案、组成和主要功能,并对我国未来空间机械臂技术的发展提出了建议。     

空间站组装时的姿态指令优化

在空间站组装过程中需采用机械臂进行有效载荷操作,此时组合体的姿态控制一般采用核心舱控制力矩陀螺(CMG)完成。一旦CMG角动量饱和,则需要进行喷气卸载,进而可能引起严重的控制/结构耦合。因此对核心舱的指令姿态进行优化处理,使得CMG进行姿态控制时的角动量峰值最小,就可为舱段转移时不进行CMG角动量卸载提供了可能。     

空间机械臂技术综述及展望

介绍了国外空间机械臂在轨技术验证与工程应用的概况,从任务类型、构型配置、末端执行器与操作方式方面分析了空间机械臂技术的发展趋势。综述了空间机械臂的任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证7项关键技术。介绍了中国试验七号与天宫二号空间机械臂在轨验证情况,重点介绍了正在研制的中国空间站机械臂基本方案。最后,总结了目前空间机械臂技术存在的问题,并对中国未来空间机械臂技术发展提出了建议。     

基座弹性影响下空间站柔性关节机械臂的鲁棒自适应滑模控制及双重弹性振动主动抑制

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置、姿态均不控的空间站柔性关节机械臂系统控制问题。利用拉格朗日方法结合动量守恒定律,建立了弹性基座空间站柔性关节机械臂系统动力学方程。以此为基础,依据级联控制法,将系统分解为弹性基座刚性臂子系统和关节柔性电机转子子系统。对于弹性基座刚性臂子系统,为了主动抑制弹性基座柔性振动,运用虚拟力的概念,构造同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制方案,提出基于虚拟力概念的鲁棒自适应滑模控制器控制策略,由于运用了虚拟力的概念,从而仅通过设计一个控制输入便可同时保证刚性轨迹跟踪并对载体基座的弹性振动进行主动抑制,更适应于空间站柔性关节机械臂系统的实际应用。同时,针对系统参数未知的情况,利用级联控制方法能够有效地抑制柔性关节的振动。理论分析及仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

空间机械臂视觉测量技术研究

空间机械臂技术是维护空间站、执行指定任务、保障航天员出舱作业的安全等必不可少的关键技术。视觉测量技术则是保证空间机械臂顺利完成空间遥操作任务的前提。基于此前提,首先对空间机械臂视觉测量技术进行了概述,并分别对手眼关系标定、标志器识别以及相对三维位姿测量等关键技术进行了阐述;然后,以加拿大机械臂为例提出了一种基于边缘特征的标志器识别算法,给出了具体的识别流程,并采用一种基于非迭代的相对位姿测量算法实现了位姿求解;最后,针对标志器识别算法和位姿测量算法给出了基于仿真图像的实验结果和机械臂原理样机集成实验结果。最终实验结果表明:提出的空间机械臂视觉测量方法合理可行,满足预期的技术指标要求,具有较强的工程应用价值。     

空间大型机械臂系统载运轨迹优化方法

针对在搬运及组装数十吨级负载过程中,空间站用大型机械臂会对空间站载体姿态产生扰动的问题,提出了一种笛卡尔轨迹参数化方法。利用基于广义雅克比矩阵（GJM）的分解运动速度控制和优化算法来实现基座姿态扰动控制,建立了反映载体姿态变化的目标函数。基于关节运动范围及避免动力学奇异等约束,采用粒子群（PSO）算法进行目标函数的优化,有效降低了空间大型机械臂系统在搬运重型负载过程中对载体姿态的影响。仿真结果验证了算法的有效性。     

基于北斗卫星导航系统的空间站姿态测量可行性分析

为了探索北斗全球卫星导航系统应用于中国空间站姿态测量的技术可行性,调研了中国未来空间站运营时北斗全球系统导航星座情况,给出了北斗系统对空间站的服务能力;基于载波相位高精度测量原理,对载人空间站利用北斗全球系统完成姿态测量所需的技术条件进行了分析,首次提出了在空间站三舱分别配置北斗天线,使用基于北斗导航信号载波相位的高精度测量算法进行组合体姿态测量的技术思路,初步给出并分析了相应的设备配置和工作方案,并对其在轨运行时的姿态角测量精度进行了仿真分析。在配置三天线组成两条10 m量级基线条件下,仿真的姿态角测量均方根误差约为0.05°。在具备相应信息处理和通信能力的条件下,利用北斗全球系统接收机可以完成空间站姿态测量功能,具有技术可行性。     

面向空间机械臂遥操作任务的客观绩效指标分析

面向空间站背景下的机械臂遥操作任务,总结并提出了11项操作者在手柄操作中的客观绩效指标,基于机械臂遥操作仿真平台进行了机械臂转移对接操作实验。实验结果表明:提供数值信息对多项操作绩效指标有提升作用,4摄像机布置方案在到达关节限位次数指标上优于2摄像机布置方案;关节限位次数、错误操作次数、手柄控制效率等几项指标,可以预测是否能够成功完成对接任务。提出的手柄控制效率指标能够预测操作用时以及到达限位位置风险等核心指标,可用于综合评价实验任务中人的操作效率。     

空间站转位组建方案研究

研究了国外空间站转位组建和机械臂操作组建两种方案。根据我国空间站任务和T字基本构型,提出了空间站组建的翻转转位和平面转位的两种方案。从基本组成与功能、安装布局和工作过程方面进行了方案设计,并对两种方案进行了分析对比,对比结果表明两种方案各有优劣,翻转转位方案优势明显。研究结果可为空间站工程总体确定我国空间站组建方案提供参考。     

空间模块化机械手系统容错控制系统研究

研究搭载在空间站或其他近地轨道航天器上的空间模块化机械手系统的容错控制系统.与地面应用环境相比较,空间特殊的应用环境存在许多不同,因而传统工业机械手系统的设计技术不能直接应用于空间机械手系统的设计.考虑到空间应用对系统质量、体积、功耗、研制费用和周期所提出的苛刻要求,主要采用COTS器件设计并实现该空间机械手系统的容错控制系统,介绍了系统的软硬件体系结构及其特点,最后给出系统的性能参数.在系统设计中采用许多已有的设计技巧与工程经验,具有高可靠性和工程实用性.     

带有空间机械臂的航天器系统惯性参数辨识

针对航天器惯性参数在轨辨识问题,文章以空间机械臂为研究对象,建立了带有空间机械臂的航天器系统动力学模型,并进行了空间机械臂的动力学分析。通过规划一种复杂的空间机械臂的运动轨迹,对机械臂各关节施加合适激励的方法,使空间机械臂做充分可变构型运动。该运动会改变航天器系统的惯性分布,从而引起航天器系统速度变化。然后,通过ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,机械系统动力学自动分析)软件建模测量这些速度变化,计算出空间机械臂的惯性变化,进而基于动量和动量距守恒的方法建立线性回归方程。最后,通过应用递推最小二乘法解线性回归方程组,辨识出了航天器的惯性参数。仿真分析结果表明了所辨识的航天器惯性参数的有效性和准确性。     

一个超冗余度移动操作臂机器人系统的实现与运动控制

冗余度或超冗余度移动操作臂机器人可在空间站上为宇航员提供很大的帮助.对一个超冗余度移动操作臂机器人系统的设计和实现作了介绍,这个系统由一个8自由度的模块机器人和一个1自由度的电机驱动的导轨组成;对该系统的逆运动学解法进行了讨论,提出了一种基于避关节极限与位形优化的简化逆运动学控制方法;并提供了仿真和实验结果.     

中国深空网首次△DOR联合测轨试验分析

通过分析中国深空网首次△DOR（Delta Differential One way Ranging,双差分单向测距）联合测轨试验的干涉测量事后数据,重点从观测量随机精度、闭合时延等方面讨论了国内深空网与国内VLBI（Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量）观测网、国内深空网与国际深空网的联合干涉处理情况,并与ESOC（European Space Operation Center,欧洲空间操作中心）数据处理结果进行了比对.试验结果表明：我国深空网已具备独立或联合开展深空探测器导航测轨的系统支持能力;深空站系统具备高速率数据接收、采集、记录、传输能力,采集数据处理精度优于1 ns;深空网干涉测量信号处理中心具备多体制信号的干涉处理分析能力,其分析精度与ESOC处理精度差异在0.1 ns量级.     

空间站吊装安全监测系统研制及应用

分析了空间站舱段吊装过程的特点,对比多种测量方案后,提出了基于多模式集成测量的吊装安全监测系统方案,分步实现吊装过程的实时监测。通过对吊装过程关键数据的采集与解析,获取吊装舱段与停放件的相对位姿,以三维可视化的方式显示作业过程,同时进行安全阈值示警,定量引导与辅助航天器舱段吊装作业过程。通过实验室和实际使用,验证了设计方案的可行性及测量精度。与传统的监测系统设计相比,具有功耗低、可靠性高、抗干扰能力强、成本低和操作简便等显著优点。     

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。     

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。