柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

空间机器人退步控制器设计

 针对带任意节机械臂的空间机器人,采用退步法设计了基座姿态与机械臂受控的复合控制器。所设计的控制器以机械臂末端在工作空间中的位置和姿态、机械臂在关节空间中的关节角、关节角速度、基座姿态角和姿态角速度为反馈变量,可直接实现机械臂在工作空间的控制任务,避免了从工作空间到关节空间的运动学规划及Jacobian矩阵求导,同时,通过对基座的姿态控制能扩展机器人的功能,改善机械臂的动力学奇异特性。以某个带有6节机械臂的空间机器人为背景进行了数学仿真,验证了所设计的控制器的有效性。     

多目标位姿约束下空间机器人载体姿态扰动优化

通过运行轨迹的优化设计来减小空间机械臂运动对其基座姿态产生的扰动影响是一种经济有效的方式, 然而针对笛卡儿空间内多个离散位姿约束条件下空间机械臂运动轨迹的优化设计研究相对较少. 通过改进样条函数对机械臂末端运行轨迹进行参数化设计, 将基座姿态的扰动量表达为关于样条函数控制点与相邻约束点之间运行时间的目标函数, 利用遗传算法对目标函数进行全局优化处理, 完成空间机械臂运行轨迹的优化设计. 仿真结果表明, 该方法能有效降低机械臂运动对基座姿态产生的扰动, 并且规划的关节运动轨迹二次连续可微.      

无反作用力矩空间机器人轨迹跟踪控制

针对目前关节驱动方式的不足,提出一种采用无反作用力矩驱动方式的空间机器人设计概念。系统平台与各节机械臂上均安装一组金字塔构型的控制力矩陀螺（CMGs）作为力矩执行机构,各臂间由自由球铰连接。采用Rodriguez参数描述平台姿态和机械臂角位移,利用Kane方程建立系统动力学模型。在此基础上,设计了渐近稳定的轨迹跟踪控制律,使得平台姿态和机械臂角位移跟踪期望运动轨迹;并设计了CMGs操纵律,使之准确输出期望控制力矩。此外,研究了机械臂工作空间到关节空间的轨迹规划算法,使得所设计的控制律也可应用于工作空间的轨迹跟踪控制。由三关节系统的仿真结果,验证了无反作用力矩设计概念的可行性和轨迹规划算法的有效性。     

双臂空间机器人姿态调整运动的最优控制规划

讨论了双臂空间机器人系统姿态调整运动的最优控制规划问题.以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人系统的动量矩守恒关系,并将其转化为系统状态方程;利用近似优化方法给出了一种双臂空间机器人姿态、关节协调运动的最优控制算法.其优点在于,仅控制双臂空间机器人的关节运动,即可同时获得载体姿态及机械臂关节需要的终端位置.系统数值仿真,证实了算法的有效性.      

空间多体系统轨道姿态及机械臂一体化控制

针对在轨服务等新型任务对航天器快速机动能力的大幅提高,研究了卫星基座和机械臂构成的空间多体系统的轨道、姿态和机械臂的一体化控制设计问题。首先,建立了空间多体系统的动力学模型;然后,基于退步控制思想,设计了卫星基座、姿态与机械臂一体化控制器,并证明了系统的稳定性,由于利用了空间多体系统的所有自由度,相比传统的基座停控或只控制基座姿态而轨道停轨的方法,极大地提高了系统的适应能力,可同时实现空间大范围的轨道转移、姿态机动,同时利用机械臂对目标进行精确操作控制。通过建立完整的空间多体系统仿真模型,对控制器进行仿真,达到了同时进行轨道、姿态及机械臂末端机动的控制目的,并验证了所提方法的有效性。      

漂浮基空间机械臂姿态、关节协调运动的模糊小波神经网络控制

讨论了本体姿态受控、位置不受控制的漂浮基空间机械臂系统协调运动的动力学控制问题. 根据系统位置几何关系、动量守恒关系和第二类拉格朗日方程, 建立漂浮基空间机械臂系统的动力学方程. 在此基础上, 针对系统参数未知的情况, 设计了一种采用小波基函数作为模糊隶属度函数的模糊神经网络控制器, 以控制空间机械臂的本体姿态和机械臂两关节铰协调地完成各自在关节空间的期望运动. 其特点是不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系, 甚至不需要知道系统参数;而且网络权值是采用反向传播算法根据误差进行在线学习, 使模糊神经网络获得更强的自学习和自适应能力, 同时也节省了离线学习的时间. 系统数值仿真的结果证实上述控制方案是行之有效的.      

漂浮基姿态受控空间机械臂关节运动的自适应神经网络控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,空间机械臂姿态及关节协调运动的自适应神经网络控制问题.由拉格朗日第二类方法及系统动量守恒关系,建立了漂浮基空间机械臂的系统动力学方程.以此为基础,借助于RBF神经网络技术和GL矩阵及乘积算子定义,对空间机械臂系统进行了神经网络系统建模;之后针对空间机械臂所有惯性参数未知的情况,设计了空间机械臂载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应神经网络控制方案.提出的控制方案不要求系统动力学方程具有关于惯性参数的线性性质,且无需预知系统惯性参数的任何信息,也无需对神经网络进行离线训练和学习,因此更适于实时应用.通过对一个平面两杆自由漂浮空间机械臂系统的数值仿真,证实了方法的有效性.      

空间索杆铰接式伸展臂故障树分析

结合空间索杆铰接式伸展臂的应用环境, 在分析空间索杆铰接式伸展臂组成和展开原理的基础上, 建立以伸展臂展开失效为顶事件的故障树, 分别对其进行定性及定量分析, 获得各底事件的失效概率、概率重要度和关键度结果, 确定引起伸展臂展开失效的主要因素. 结果表明驱动力不足、 角点滚轮卡死、精度失效是影响伸展臂正常展开的主要因素, 据此提出了相应的改进措施, 为空间索杆铰接式伸展臂的展开可靠性分析提供了依据.      

基于强化学习的机械臂关节高精度控制方法研究

为提高空间机械臂自主操作能力,满足在多种不确定场景下的智能化精细操作需要,本文提出一种基于概率推断式强化学习的关节控制方法,在传统关节控制的基础上实现了控制参数的自主学习与优化.该方法主要包含两层循环,外循环通过学习交互数据在线辨识关节模型,内循环依据更新后的关节模型优化控制参数,经过数代学习逐渐使控制性能达到最优.该方法学习效率高,且相较于传统PID方法,对环境的适应能力更强,能有效提高复杂条件下机械臂关节的控制精度.数值仿真结果证明了该方法的有效性.     

Compensation of base disturbance using optimal trajectory planning of dual-manipulators in a space robot

This paper presents a trajectory planning algorithm for a space robot with dual-manipulators. Here one manipulator of the space robot captures a target, and another manipulator is free. In this case, this study uses one manipulator as the mission manipulator to capture the target, and another as the balance manipulator aiming at the compensation of the pose disturbance. For this method, a novel trajectory planning algorithm applied to the balance manipulator is presented. The trajectory planning problem is transformed into series of problems of the optimal state solution, and then the iterative algorithms for the trajectory planning are designed. In the iterative algorithms, the bias force on the spacecraft base caused by the balance manipulator is used as the compensation force. Then, to calculate the expected compensation force and torque, a pose control law for the spacecraft base is introduced. The expected compensation force and torque provide equality constraints for optimization problems, which implies that the trajectory planning algorithm compensates for not only the disturbance generated by the manipulator’s motion, but also environmental disturbances. This is because the expected compensation force and torque depend on the pose change of the spacecraft base rather than the type of the disturbance. Numerical simulation was carried out to analyze the proposed trajectory planning method. It was observed that the method greatly reduces the disturbance of Manipulator A on the spacecraft base. These results validated the effectiveness of the proposed method for the trajectory planning to make the spacecraft base disturbance up to minimum.     

基于可操作度的单冗余度机器人容错性指标

当冗余度机器人关节出现故障时,必将影响其灵活性.即使正常操作时具有较高的灵活性,如果关节出现故障也可能导致雅可比矩阵奇异,致使机器人不能沿任意方向运动.针对单冗余度机器人出现一个关节故障的情形,用可操作度分析此类机器人的容错性,并提出新的运动学和动力学容错性评价指标,所给指标计算量小、易于在线实时运算,最后给出优化算例,证实了所给评价指标的有效性.     

基于质量分配的空间机械臂刚度优化

刚度是空间机械臂的重要性能指标。在材料与构型确定的情况下,空间机械臂部件的刚度与部件的体积和质量正相关。由于空间机械臂的总质量受限,所以进一步提高刚度非常困难。文章提出一种在总质量一定的条件下,对空间机械臂的关节、臂杆等重要部件的质量指标进行优化分配,从而提高整体刚度的方法。在建立空间机械臂受力变形模型的基础上,通过分析部件受力变形与部件质量之间的关系,在总质量一定的约束条件下,以受力变形为目标函数,采用拉格朗日乘数法对部件的质量进行优化,得到使受力变形达到极小值的重要部件的质量指标。     

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。     

考虑分布参数依赖的风险混合不确定性分析方法

在定量化风险评估中,针对变量分布参数存在依赖时的混合不确定性传播问题,提出一种考虑分布参数完全依赖、部分依赖以及独立传播情形的双层混合不确定性刻画与传播框架,内外层分布参数不确定性分别用概率分布与可能性分布刻画,采用蒙特卡罗模拟法与模糊扩展原则相结合的数值求解方法。针对认知不确定性分布参数依赖性,构建了统一的认知不确定性分布参数依赖性模型,并给出依赖性系数的概念。为实现认知不确定性分布参数独立性采样,设计了基于D-S证据理论与随机集相结合的不确定性传播算法,相比于概率刻画下的双层蒙特卡罗方法,计算代价有效降低。以某型氢氧发动机贮箱共底漏气率为算例,验证本文方法的有效性与可行性。     

一种机器人球腕的模型优化方法

许多机器人的共同特点是在操作臂末端安装了球腕.球腕是机器人上一个重要的独立结构,它的静态误差必然影响操作臂末端执行器的位姿精度.以机器人末端的球腕作为独立的研究对象,在静态误差分析的基础上,提出了一个评价球腕精度的综合指标.根据这一指标建立优化模型,对存在静态误差的球腕模型进行优化,从而建立新的球腕运动学模型.应用新模型进行运动学及动力学解算,可以减小机器人球腕的位姿误差,特别是减小具有较大静态误差的机器人球腕的位姿误差.通过对机器人球腕进行的局部优化,整个机器人末端执行器的运动精度将在一定程度上有所提高.      

基于蚁群算法的卫星磁力矩器反馈参数设计

卫星姿态控制系统参数设计中,引入不确定性的部件误差模型可以提高系统模型的精度。针对传统优化算法处理随机因素的能力不强的情况,提出了基于蚁群算法的参数优化设计方法;并将该方法应用在某型号偏置动量轮小卫星的磁力矩器反馈控制参数设计中。与Powell方法对比,蚁群算法的寻优过程有明显的收敛趋势,这表明蚁群算法相对于传统优化算法鲁棒性好、处理随机因素能力强,可以应用在考虑随机因素的参数优化设计中。     

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求,提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念,构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵,建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型,基于指定的最小距离得到其运动学逆解,并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵,并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度,使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务,并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后,基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型,并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真,柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.