自由飞行空间机器人遥操作三维预测仿真系统研究

三维预测仿真技术是目前解决大时延遥操作的主要方法,在空间机器人的遥操作中起着至关重要的作用。针对自由飞行空间机器人建立了一套遥操作三维预测仿真系统,并进行了地面演示验证。首先介绍了空间机器人系统及其遥操作分系统组成,以及图形预测仿真原理。然后详细介绍了遥操作分系统预测仿真子系统的开发,该子系统基于面向对象的思想和MVC(Model\|View\|Controller)模式进行设计,采用Java语言和Java3D图形库进行开发。仿真系统以空间机器人的运动学模型和动力学模型进行驱动,具有快速、准确的图形碰撞检测功能。最后建立了遥操作地面演示验证系统,进行了多次遥操作实验。结果表明了预测仿真子系统的有效性。
关键词:中图分类号：文献标识码：A 文章编号：DOI:     

ETS-Ⅶ卫星的空间远程机器人实验系统

日本宇宙开发事业团（ＮＡＳＤＡ）为了获得空间机器人技术和交会对接技术，开发了工程试验卫星－Ⅶ（ＥＳＴ－Ⅶ）。在１９９７年，用Ｈ－Ⅱ火箭将ＥＴＳ－Ⅶ发射到５５０公里的地球轨道，ＥＴＳ－Ⅶ有一个长约２米的６自由度手臂，用来进行空间远程机器人实验。设计远程机器人实验系统的目的是用来减轻航天员的工作负担，并使那些非机器人专业的用户使用起来更加容易，这套实验系统由星上机器人系统和地面控制系统组成。这篇文章具     

空间机器人大时延遥操作技术研究综述

空间机器人是完成多种空间作业任务的主体,能否在地空间存在大时延情况下实现有效 的地面遥操作是发挥空间机器人作用的关键。从基于虚拟预测环境遥操作和双边遥操作 两个方面,对国内外空间机器人大时延遥操作技术研究进行了系统的综述和深入的分析,并 在此基础上提出了进一步的发展方向。
     

空间机器人的遥操作

本文分析了空间机器人遥操作的特点，时延对空间机器人遥操作的影响，总结了空间机器人遥操作的指令模式和控制模式，展望了空间机器人遥操作的发展前景。     

基于轨迹规划的自由漂浮空间机器人抓取运动物体的研究

针对空间机器人非完整性和冗余性，对笛卡空间下的轨迹规划问题进行了研究。在此基础上，分析了空间机器人抓取运动物体的策略，提出了基于轨迹规划的空间机器人路径规划方法，并以三自由度空间机器人为例，对空间机器人抓取运动目标体的问题进行了研究，该方法是开环控制方法，但由于在进行轨迹跟踪过程中，误差不累积，得到的实际曲线与理论曲线相近，误差达到了规定的范围。     

空间3R机器人工作空间分析

由于存在动力学耦合,空间机器人工作空间的分析比地面机器人复杂得多,以往的研究仅针对平面运动的情况,本文探讨了三维工作空间的分析方法。首先根据基座的不同控制策略,推导了基座位姿固定、自由飞行及自由漂浮三种模式的运动学方程,然后分析相应的工作空间。基座位姿固定时,采用几何分析法;基座自由飞行时,借助虚拟机械臂分析其受限工作空间;而对于自由漂浮模式,结合角动量守恒方程,提出了计算路径相关工作空间和路径无关工作空间的数值算法。文中以3R机器人为例进行实际计算,比较了各种工作空间的特点。最后讨论了动力学奇异回避方法,并提出减小其影响的建议。     

基于避障伪距离的自由漂浮空间机器人规划跟踪一体化控制

针对自由漂浮空间机器人(Free Floating Space Robot,FFSR)的避障规划与控制问题,提出一种FFSR的避障规划-跟踪一体化控制方法。首先,基于障碍物伪距离技术,采用FFSR逆几何模型求解期望末端位姿下的连杆伪距离估计值,进而通过求解非线性优化问题,获得FFSR避障期望轨迹。其次,将全局轨迹规划与局部在线避障相结合,辅以离散状态黎卡提方程（DSDRE）控制方法实现FFSR的避障规划-跟踪一体化控制。最后,采用6R空间机器人模型验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够实现FFSR的避障控制,有效克服了传统FFSR控制中末端轨迹规划与控制相分离的问题,提高了FFSR的环境适应性。     

自由飞行空间机器人通用运动学模型及其仿真

本文了一种新的通用运动学模型。这一模型和以前方法不同，用通用方法导出能求机器人任一部分速度的通用方程式，同时这种通用模型由于运动学方程式表达式简单，所以计算速度很快，从而为空间机器人实时控制提供条件。本文首先在通用运动学模型所需的基本概念基础上推导出通用的运动学模型方程式，其次对该运动模型给以分析，最后通过仿真实验方法证明了本文提出的通用运动学模型比以往的几种运动学模型计算速度快的结论。     

基于虚拟现实的空间机器人遥操作在维护作业中的应用

研究了变时延遥操作环境下的预测仿真技术、基于虚拟现实的机器人遥操作系统组成、遥操作系统的自主学习技术和虚拟操作环境建模技术。开发了基于虚拟现实的机器人遥操作演示系统和自学习功能。实现了基于虚拟现实的临场感遥操作,在5～8s模拟时延条件下完成了推开故障太阳翼,擦拭受污染的镜头和拉动调整出现故障的卫星天线等作业。     

空间机器人路径规划综合优化方法

执行复杂操作的空间机器人常具有冗余自由度,从而可以在执行任务过程中通过关节参数的合理规划对指定目标进行优化。振动和操作灵活性是评价空间机器人性能和任务完成质量的两项重要指标,而关节力矩的大小是影响振动的重要因素。文章提出了一种路径规划综合优化方法,在对机器人末端运动速度进行优化处理的基础上,利用其冗余自由度,对关节力矩和评价操作灵活性的条件数指标进行综合优化。以平面3自由度机器人为对象建立数学模型,并在零重力环境下对相同任务进行数学仿真。仿真结果显示,采用文章优化方法,关节力矩与操作灵活性指标均得到了有效优化,验证了所提出方法的有效性。     

刚柔混合双臂空间机器人抓持－操作协同规划

针对狭小空间内的在轨维修操作,提出了一种基于受限空间可操作度优化的刚柔混合双臂协调轨迹规划方法。根据绳驱柔性臂的结构特性对其进行运动学等效,并完成了刚柔混合双臂等效运动学模型的建立,得到基座漂浮状态下的广义雅可比矩阵以及对应的零空间投影矩阵。以任务操作方向上的可操作度为优化指标,通过零空间投影矩阵建立优化函数方程;同时基于分解运动速度控制,通过广义雅可比矩阵实现末端速度空间到关节速度空间的映射,实现了混合双臂抓持-操作目标的同步运动控制。最后,开发了基于联合仿真软件的混合双臂联合仿真系统,仿真结果验证了上述方法的有效性。     

多信息融合组合导航半物理仿真系统设计与实现

导航算法是组合导航系统中的关键技术。为了验证导航算法的性能, 以导航算法能最终实现工程应用为背景,文中研究了一种以RS-232串行通信为基础,采用分布式仿真结构的多信息融合组合导航半物理仿真系统。根据系统工作原理,搭建了硬件平台,设计了系统的整体信息交换流程和各分系统之间的数据通信协议,利用MSC6.0和VC++6,0编制了传感器仿真程序,导航仿真程序,以及导航监控程序。最终完成了整个系统的实时联调。系统实时联调结果表明,该系统能够直观有效地验证各种导航算法的导航性能,从而为导航算法移植到工程应用中提供了有益的参考。     

空间机器人抓捕碰撞分析与轨迹规划镇定控制

针对空间机器人抓捕目标过程中产生的碰撞冲击问题,分析了抓捕瞬态碰撞对机器人系统产生的影响,提出了一种控制力矩能量消耗少、对卫星平台基座扰动小的镇定控制方法,实现了对抓捕目标后组合体系统的镇定控制。首先,利用Kane方法建立了抓捕后的目标-机械臂-卫星平台组合体动力学模型;其次,利用ADAMS软件分析了瞬态碰撞冲击对空间机器人系统的影响,为后续镇定控制策略的设计提供初始仿真参数;采用四次多项式实现了机械臂关节空间轨迹的参数化,设定了基于控制力矩能量与基座扰动的加权目标函数,利用差分进化算法(DE)求解得到满足控制力矩能量消耗小、平台基座扰动少的机械臂关节空间轨迹。最后,利用七自由度空间机器人的数值仿真,验证了所提出方法的有效性。     

空间机器人地面实验系统的一种鲁棒自适应控制方法

基于李亚普诺夫稳定性直接方法, 针对具有参数及模型不确定性的空间机器人地面实验系统, 提出了一种新的鲁棒自适应控制器。该控制器由三部分组成: 线性PD反馈项, 补偿动力学的自适应控制项, 补偿建模不确定性的鲁棒控制项。控制策略能有效地克服未建模的摩擦力和外部扰动以及吊丝配重系统未补偿掉的重力影响, 并且能保证全局最终一致有界。仿真表明了算法的可行性和有效性     

自由飘浮空间机器人地面实验系统

针对空间机器人的运动的地面模拟,基于运动学等效原理提出一种用固定基座机器人模拟空间机器人运动的方法。运用该方法,在地面用两个基座固定的六自由度工业机器人组建了一套空间机器人的地面模拟系统。应用该系统成功模拟了自由飘浮空间机器人捕获自由运动目标的运动,实验结果证明了该方法的有效性。
     

空间机器人柔性关节轨迹控制研究

针对由谐波减速器驱动的空间机器人柔性关节的精确轨迹跟踪问题,提出了一种由自 适应模糊系统和逐步逆向设计相结合的递阶控制方法,不仅有效地消除了模型不确定性的 影 响,而且避免了复杂的求导运算和角加速度可测的要求;推导了自适应模糊系统模糊规则参 数调整的自适应律,证明了闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛;在柔性关节测试平台 上进行了轨迹跟踪实验,试验结果表明该方法具有较高的轨迹控制精度和鲁棒性。     

自由飞行空间机器人的运动学建模研究

空间机器人将在未来的空间项目中发挥重要的作用。但在空间环境中，由于缺乏一个固定的基座，机械臂的运动会对机器人本体的位置和姿态产生扰动，其运动学将变得很复杂。为建立自由飞行空间机器人的运动学模型，通常是将系统的动量表达为某个预先选定连杆的速度的函数，进而得到具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型。这种方法的缺点是系统的动量无法以通用表达式描述，并且对如何最优选取连杆也缺乏必要的说明和讨论。本文对此进行了研究，得到了自由飞行空间机器人系统动量的通用表达式；通过选取相应的连杆，得到了具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型；也分析和讨论了连杆优选问题。     

空间机器人的智能控制器设计

自由漂浮空间机器人动力学方程不能被参数线性化并且存在模型不确定性，使得基于数学模型的控制问题变得十分复杂。本文研究了自由漂浮空间机器人的智能控制方法，提出了一个鲁棒的模糊神经网络控制器。首先利用模糊神经网络控制器来逼近理想控制器，然后利用鲁棒控制器对逼近误差进行估计和抑制。根据Lyapunov函数建立的新的网络学习算法保证了系统的稳定性。最后利用该控制器对平面二连杆空间机器人进行了研究。仿真结果表明该智能控制方案是有效的。     

空间绳系机器人姿态容错控制方法研究

在精确姿态控制阶段,由于反作用轮的故障,空间绳系机器人会出现姿态控制失稳的问题,为此,提出了一种空间绳系机器人姿态容错控制的新方法。该容错控制方法利用时间延迟控制算法,将前一个周期的控制量引入到当前控制律中,估计并补偿由于反作用轮故障引起的当前控制量变化。在推导该容错控制方法的基础上证明了它的稳定性,从反作用轮无故障和有故障两个方面,对利用时间延迟控制算法与利用PD控制算法的控制律进行了仿真比较。仿真结果表明,利用时间延迟控制方法跟踪目标姿态精度高、鲁棒性强;将时间延迟控制方法用于调整反作用轮故障状态下空间绳系机器人姿态具有较强的稳定性。