空间机械臂地面装调与空间应用迭代学习控制

针对空间机械臂系统地面装调和空间应用两阶段的末端轨迹控制问题,提出了采用闭环PD型迭代学习控制算法对空间机器人进行轨迹跟踪控制,从而使在地面重力条件下装调好的空间机械臂能够在空间微重力条件下实现在轨操控任务。建立了空间机械臂在地面装调阶段和空间应用阶段的运动学与动力学模型,给出了控制算法和控制结构,并通过对控制器的收敛性进行分析,给出系统收敛的充分条件。仿真结果表明,采用闭环PD型迭代学习控制算法对轨迹跟踪是有效可行的。     

空间机械臂三维全物理地面试验方法研究

空间机械臂为七自由度冗余机械臂,在轨操作任务和对象多样,空间运动轨迹复杂,性能受重力影响明显;地面模拟零重力环境、支持空间机械臂三维运动一直是地面试验的难点.提出了一种空间机械臂零重力模拟试验方法,利用气足悬浮+悬吊的方法实现了空间机械臂三维空间、七自由度运动的全物理地面模拟,地面试验验证了此零重力模拟方法的有效性.     

在轨加注任务中变质量特性下的空间操作臂状态扩展自适应镇定控制

模块更换方式在轨加注任务面向不同类型的多个待加注目标与推进剂模块,过程中涉及航天器对接与分离、推进剂模块拆卸与组装等多种操作,研发时需要考虑系统中质量特性变化复杂,以及地面验证中存在的全周期、遍历性的任务级微重力模拟试验难以实现的问题。首先,针对地面调试良好时在轨加注空间操作臂系统可能被掩盖的非线性动力学特性,分析了一定参数范围下,任务执行过程中负载和基座质量特性变化对空间操作臂动力学特性和控制性能的影响。随后为实现对控制对象及环境改变的自适应性,基于惯性矩阵分解与重力载荷矩阵线性化,设计g的自适应律,并扩展系统状态变量,建立系统的Hamilton模型,进而基于能量函数整形与阻尼注入的无源性控制思想,设计预置镇定控制律,提出一种可对不同工况下的系统非线性实现自适应镇定的控制方案。最后,通过仿真研究验证了所提控制方案的有效性。     

空间站机械臂捕获悬停飞行器试验系统设计与验证

捕获悬停飞行器是中国空间站机械臂的关键任务之一,由空间站机械臂实现悬停飞行器的捕获、拖动和锁紧,形成刚性连接并辅助对接。在分析和比较国内外空间悬停飞行器捕获试验技术的基础上,设计了一种用于大型空间机械臂捕获悬停飞行器的地面试验系统,该系统主要由空间机械臂、气浮零重力模拟系统、机械臂位姿测量系统、悬停飞行器模拟移动装置、模拟移动装置测量系统组成。仿真分析和地面试验,结果表明：该试验系统可实现对低速到高速的动态模拟目标的跟踪捕获,满足空间机械臂捕获悬停飞行器试验任务需求,完成了机械臂捕获悬停飞行器技术在近似真实使用环境中的验证。     

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。     

空间站机械臂末端执行器抓取试验技术研究

末端执行器安装在空间站机械臂的首尾,是机械臂执行空间任务的核心产品。针对地面难以模拟空间零重力下机械臂末端抓取目标过程的问题,通过对空间抓取机构地面验证系统研究,结合中国空间站机械臂末端执行器地面验证需求,提出了半物理试验验证方案,研制了一套基于Steward并联机构的六自由度半物理验证试验系统。完成了末端执行器捕获容差、抓取质量等性能指标的验证,实现了多工况、复杂边界、大负载、大容差等条件下空间机械臂末端抓取功能性能的地面验证。测试结果显示：末端执行器捕获位置容差不小于100 mm,姿态容差不小于10°,抓取目标质量不小于25 t。结果表明末端执行器捕获容差、抓取目标质量等指标均满足要求,并通过了在轨飞行验证。     

多关节脚限位装置机构设计与仿真分析

对在空间微重力环境下,通过连接空间机械臂来固定和支撑航天员在轨维修操作的多关节脚限位器装置进行研究。多关节脚限位器装置限制航天服的靴子防止航天员脱离脚限位器,同时为航天员在轨维修操作提供多个自由度的调节范围。对多关节脚限位器装置的多关节结构进行设计与分析,针对某些特定动作进行运动学仿真,并进行试验验证。此外,还对关节运动范围进行了分析,使用Adams软件对载荷限制单元防冲击载荷与缓慢变化载荷的能力进行了仿真分析。     

空间机械臂地面无应力装配方法研究

空间机械臂在轨工作处于失重状态,各活动关节之间不能因地面装配造成附加力/力矩。为了使地面试验状态与在轨工作状态一致,提出了一种地面无应力装配系统,利用气足悬浮+悬吊的方式实现了产品的柔性装配;在装配过程中通过监视工装上的力传感器受力,结合产品位姿精测结果,按照力控制为主、位置控制为辅的原则进行产品位姿调整,完成了空间机械臂无应力装配。空间机械臂地面试验和在轨验证表明了此无应力装配方法的有效性。     

空间机械臂关节维修性设计与验证

空间机械臂维修性对机械臂可靠性和长寿命具有非常重要的意义。在研究国际空间站机械臂在轨维护维修任务和关节产品特点的基础上,结合中国空间站机械臂特点,设计了一种四方协同作业3次出舱的机械臂关节维修方案,通过搭建虚拟维修仿真平台开展了维修仿真验证,完成了模拟维修场景下机械臂关节的维修试验,充分验证了机械臂关节维修的可操作性、可达性、可视性、安全性和流程合理性。     

空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证

为满足空间站机械臂在轨维修需求,实现在轨故障单机快速从整臂中分离,设计了一种通用快速连接装置。该装置在满足空间站机械臂高刚度、大承载要求的前提下,具有空间环境下操作力矩小、操作简便、拆装迅速的特点。快速连接装置由快速连接母组件和快速连接公组件两部分组成,两组件通过膨胀螺栓膨胀施加预紧力实现锁紧,组件对接过程中通过楔形结构配合实现导向和定位。该快速连接装置通过刚度测试、真空高低温环境下膨胀螺栓插拔以及航天员地面人机工效等验证,结果表明该装置可满足空间站机械臂使用要求与在轨维修需求。     

机器人航天员精细操作方法及在轨验证

针对航天员舱外活动风险与空间探索的效率问题,建立了具有双臂手的机器人航天员系统。该机器人航天员由多自由度机械臂、仿人灵巧手及具有双目视觉系统的头部等构成,具有位置、力矩、视觉等多种感知功能。为了验证机器人航天员及在轨人机协同关键技术,在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证试验,为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累了经验和数据。     

空间站舱体转位试验系统动力学匹配设计与仿真

针对空间站舱体转位地面试验二维模拟空间三维动力学特性的等效性问题,通过第二类拉格朗日动力学方法,建立起在轨与地面试验系统之间的动力学关系,进行了质量特性匹配性设计。基于设计的质量特性,进行了在轨转位和地面试验转位两种仿真分析,仿真结果表明,在轨与地面动力学仿真结果在趋势和峰值两方面一致性很好,所设计的实验舱模拟器质量特性可以用于地面试验系统的研制。     

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。     

基于碰撞检测的自适应阻抗控制机械臂系统(英文)

针对柔性关节机械臂,本文阐述了机械臂能够像人手一样安全操作的方法。3种方法相结合,以便机械臂能够柔顺的接触操作对象并控制接触力在预设定范围内。首先,提出采用虚拟分解法的笛卡尔阻抗控制用来实现机械臂在笛卡尔空间的柔顺控制。其次,引入自适应关节动态补偿器使得机械臂能够实施更为精确的控制。最后,设计了基于笛卡尔力反馈的实时路径规划,从而使机械臂能够检测碰撞并控制接触力。基于碰撞检测的自适应阻抗控制器能够简化其在机械臂上的实施,保持机械臂对环境的友好操作,并且严格满足系统的全局稳定性。实验在4自由度的卫星在轨自维护机械臂平台得以验证。碰撞检测实验和轨迹跟踪实验结果证明了所提出方法的有效性和可行性。     

航天员混合现实训练与支持技术研究

基于航天员地面单人便携训练、多人协同操作训练、空间在轨操作辅助支持以及远程协同支持等工程任务需要,开展混合现实训练与支持技术研究。设计了航天员混合现实训练与支持的工程实现总体技术框架,针对航天员地面训练环境、在轨任务环境以及远程支持环境等特殊因素,对混合现实头盔头部位姿实时估计技术、多人协同操作技术以及远程支持场景匹配等关键技术进行研究。试验验证和航天员体验表明,技术方法有效、用户体验良好,满足空间站航天员地面与长期在轨典型性训练和支持任务需求,提高了训练支持质量和效率。     

航天器在轨可更换模块机构与结构设计

航天器常在其任务中出现功能失效,造成巨大的损失,而在轨模块更换技术则是利用空间机械臂自主对可接受在轨服务航天器进行故障模块更换、升级、补充消耗品等。通过对在轨可更换模块在轨服务的任务、在轨可更换模块的组件构成,从而得出在轨可更换模块的机构设计方案,进而又对在轨可更换模块进行结构设计,利用 SolidWorks 软件建立该结构的三维模型,实物模型验证了其可行性。     

空间机械臂维修性系统设计与评价体系的构建

空间机械臂维修性系统设计与评价体系的构建对机械臂维修具有非常重要的意义。结合空间机械臂维修性需求,建立了机械臂"设计-验证-设计-评价"全周期系统性的维修性设计与评价体系,根据维修性系统设计体系进行维修性设计-验证-再设计的循环管理,再根据维修性评价体系,三类评价人员模拟在轨维修操作场景分别开展维修评价,最终根据评价指标中的不合格项进行设计迭代。以机械臂中央控制器在轨维修为例验证该评价体系。研究结果将为后续空间机械臂维修性设计与评价工作提供体系借鉴和工程指导。     

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。     

基于Kinect的七自由度空间机械臂体感控制方法

针对七自由度空间机械臂的体感控制问题,提出了一种基于操作周期和运动周期的增量式关节角人机运动映射方法。使用Kinect传感器采集人体关节点坐标数据并使用空间向量法计算关节角,根据关节角增量及手势命令计算得到机械臂关节角。为解决关节坐标数据的抖动与失真问题,分析了Kinect对不同关节点采集的数据精度的关系,并给出一种限幅平滑滤波算法。结合上述结果,提出对操作周期进行分段的方法,并给出了优化后的体感控制算法。最后,搭建了空间机械臂体感控制的仿真试验平台,在Unity中搭建仿真试验场景,经体感控制下的空间机械臂运动试验验证了所提出方法的可行性。     

SJ-17卫星LHT-100霍尔电推进系统飞行试验工作性能评价

为了验证霍尔电推进系统的空间环境适应性、与航天器的相互兼容性、空间工作特性及空间飞行性能与地面数据的差异性,LHT-100霍尔电推进系统搭载SJ-17新技术验证卫星开展了在轨飞行试验,对霍尔电推进系统在轨飞行试验结果进行了详细评价。结果表明:在整个飞行试验期间LHT-100霍尔电推进系统各项工作性能参数符合设计指标要求,其中推力79.5m N,比冲1531s,系统功率低于1.527k W,单次长时间工作8h,在轨系统开关机次数大于24次,在轨累计点火时间超过3028min,在轨飞行试验数据与地面试验数据具有很好的一致性。