空间机械臂位形与基座姿态协同控制研究

针对自由飘浮空间机械臂与基座的运动耦合问题,提出了一种基于不变流形的机械臂位形与基座姿态协同控制算法。在分析了系统可控性的基础上,构造了线性状态反馈下系统的不变流形,并设计了分段连续的镇定控制器。该控制器先将系统状态镇定到不变流形之上,然后沿该流形将系统状态调整到期望值。仿真结果表明,在系统可控的条件下,所提出的协同控制算法能将机械臂位形与基座姿态同时调整到期望状态。     

基于多项式插值的自由漂浮空间机器人轨迹规划粒子群优化算法

针对自由漂浮空间机器人轨迹规划问题,提出一种基于多项式插值与粒子群优化算法相结合的非完整运动规划方法。首先,通过对系统非完整约束条件进行分析,给出了以机械臂关节角耗散能为目标函数的轨迹最优控制算法;并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,将插值多项式的系数作为优化参数,结合粒子群优化算法对关节角轨迹进行优化求解。最后,对本文提出的轨迹规划算法进行数值仿真。仿真结果表明关节角轨迹平滑连续,保证了关节角速度及关节角加速度在初始和终止状态均为零,从而验证了所提方法的有效性和可行性。     

空间机器人在轨更换ORU的力/位混合控制方法

针对ORU在轨更换任务,首先推导了空间机械臂末端自由、末端与环境接触等情况下的动力学方程,并提出了相应的接触力计算方法;其次,改进了传统的R\|C控制方法,采用加权选择矩阵代替原有的选择矩阵,实现了力控制与位置控制之间的平滑切换;最后,开发了基于Matlab/Simulink的闭环控制仿真系统,该系统由多体动力学、接触动力学、轨迹规划、力/位混合控制、3D显示等模块组成。利用该系统开展了ORU转移与安装过程的闭环控制仿真,仿真结果校验了所提方法的有效性。     

3-P4R并联打磨机器人的误差分析

提出了采用D-H法对3-P4R并联打磨机器人进行位置分析,通过对反解方程进行微分,建立原始误差存在于三条支链的误差模型,然后采用Matlab进行数值仿真的新思想,该算法的可行性已被初步的试验证实。主要是对三条支链的杆长误差进行分析,为后续的误差补偿奠定理论基础。     

非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法

空间机器人与非合作大目标交会接近最终段,单目相机不能获取完整的特征图像而无法完成相对位姿测量。针对此问题,提出基于线结构光和单目视觉的相对位姿测量方法。以非合作大目标上的局部矩形特征为测量对象,首先,建立相对位姿测量模型并给出四个测量坐标系之间的关系;其次,通过相机对不完整矩形和线结构光的约束获得四个特征点在相机坐标系下的坐标;然后,利用四个特征点计算相机坐标系与目标坐标系之间的转移矩阵;最后,将转移矩阵分解得到矩形特征的相对位姿。通过改变影响测量精度的输入误差和标定误差等因素对该方法进行仿真验证,结果表明该测量方法是有效的。     

空间非合作目标质量特性在轨辨识

提出基于系统动力学方程的空间非合作目标质量特性辨识算法。利用递推最小二乘法辨识空间机器人抓捕非合作目标后系统整体的质量特性,进而根据多体动力学的建模方法,通过几何关系解算得到非合作目标与末端作用器联合体的质量特性参数。仿真分析验证了该辨识算法的有效性。     

多模式柔索驱动航天员训练机器人力控制

为解决长期在失重环境下生活和工作的航天员的康复训练问题,针对现有的航天员训练设备功能单一、训练效果不理想的现状,研制了多模式柔索驱动航天员训练机器人。基于模块化、可重构的机器人构型,通过机器人模拟重力环境的负载特征,把相应的载荷施加到人体上,实现航天员在失重环境下进行跑步、卧推和负重深蹲等体育训练,帮助航天员减轻或者克服空间适应综合征带来的不利影响;在此基础上提出一种机器人双闭环力控制策略,人机跑步训练实验结果表明,本文研制的多模式航天员训练机器人构型合理,控制策略有效,可以辅助在失重环境下生活和工作的航天员开展体育训练。     

全自动快换装置精准对接技术

当抢险救援机器人腕部的全自动快换装置(full-AQHCD)自动锁紧属具接口即下耦合件(LCP)时,要同步精准对接和自动接通下耦合件的液压管路,为此,分别提出了数字量测量条件下和模拟量测量条件下精准对接理论(PDT),分别用于指导产品阶段和样机阶段的生产。产品阶段的精准对接理论是:把全自动快换装置视为被动目标,把下耦合件视为主动目标;通过4个耦合点实现全自动快换装置与下耦合件的连接;通过测量分别建立被动目标坐标系(X_1O_1Y_1)、主动目标坐标系(X_2O_2Y_2)与精准对接坐标系(XOY)之间的位姿关系;将被动目标对接点X_1O_1Y_1坐标变换到XOY坐标,再变换到主动目标对接点X_2O_2Y_2坐标;根据主动目标对接点X_2O_2Y_2坐标对主动目标对接点进行调姿以实现精准对接被动目标对接点;最后固定主动目标对接点。样机阶段的精准对接理论是:把全自动快换装置视为被动目标,把下耦合件视为主动目标;不完工被动目标布线舱,从而暴露出工作舱类似扳手空间的操作空间;通过4个耦合点实现全自动快换装置与下耦合件的连接;另外布置油源,在操作空间中先"对接"液压管路,再"测量、调姿和最后固定"主动目标的液压管路;完工被动目标布线舱。对上述2种条件下理论进行了仿真验证。     

基于高斯过程的机器人自适应抓取策略

在机器人抓取作业时,目标物体的位姿经常发生变化。为了使机器人在运动过程中能够适应物体的位姿变化,提出了一种基于高斯过程的机器人自适应抓取策略。该方法建立了从观测空间到关节空间的映射,使机器人从样本中学习,省去了机器人视觉系统的标定和逆运动学求解。首先,拖动机器人抓取物体,记录物体的观测变量和机器人的关节角度;然后,利用记录的样本训练高斯过程模型,实现观测变量和关节角度的关联;最后,当得到新的观测变量时,通过训练的高斯过程模型得到机器人的关节角度。经过训练后,UR3机器人成功抓取了物体。     

具有外部扰动及不确定系统参数的漂浮基空间机器人关节运动的增广鲁棒控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的鲁棒控制问题. 利用拉格朗日方法及系统动量守恒关系导出了漂浮基空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程, 以确保得到的系统动力学方程关于一组适当选择的组合惯性参数呈线性函数关系. 在此基础上, 借助增广变量法针对末端爪手所持载荷参数存在不确定的情况, 提出了对外部扰动具有鲁棒性的漂浮基空间机器人关节空间轨迹跟踪的拟增广鲁棒控制方案. 所提控制方案由于充分利用空间机器人系统动量守恒关系, 消除了动力学方程中载体位置相关量, 因此具有不需要测量、反馈载体的位置、移动速度和移动加速度的显著优点; 且由于对系统不确定参数及外部扰动始终采用保持鲁棒性的方式而非在线估计的方式, 有效减少了计算量, 因此更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时在线应用. 一个平面两杆空间机器人系统的数值模拟仿真, 证实了方法的有效性.