基于仿章鱼软体机器人空间碎片柔性自适应捕获装置的设想

针对空间碎片跨尺度、柔性、自适应捕获的需求,根据任务功能分析及仿生学启示,提出了一种基于仿章鱼充气软体机器人的碎片捕获装置,主要由仿章鱼触手和伸展臂组成,具备远距离可达、末端位姿调整、跨尺度碎片抓捕、目标碎片的测量与识别等能力。捕获装置采用仿章鱼单支链捕获及多支链协同缠绕的方式实现对跨尺度目标的可靠、灵活捕获。捕获触手采用充气软体机器人的机理实现对非结构化碎片的可靠捕获、相容,可实现捕获过程中对碰撞冲击的减缓和能量吸收。伸展臂采用充气驱动的方式展开,具有轻质、大收缩比的特点。触手表面还采用仿壁虎脚趾刚毛实现对碎片的可靠粘附,进一步确保抓取的可靠性。最后通过任务仿真验证了碎片柔性自适应捕获装置的可行性和先进性。     

空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

基于空间环境和在轨任务的特殊性导致的空间机器人不同于地面机器人的特点,讨论了面向航天产业的核心技术路线图的确定方法,论述了航天员心理陪护机器人的要求和研究方法,重点分析了非合作目标捕获过程面临的非线性碰撞接触动力学等前沿科学问题和冲击载荷下空间漂浮系统的稳定控制等关键技术;并针对未来空间装备巨型化趋势,介绍了大型机械臂研制、多机器人协调和大延迟下对机器人系统智能化的研究进展。     

空间多功能在轨维护机器人系统及其末端执行器设计

空间机器人是空间在轨服务的一种重要工具。以合作目标与非合作目标的在轨维护为目的,通过对现有空间机器人研究现状的调研和分析,提出了基于末端工具可快换的多功能在轨维护机器人系统,并提出多种末端执行器设计方案。其中三指-三瓣式末端执行器作为末端工具快换装置,不仅具有机械接口捕获对接的功能,还具有电力/信号传输功能,以及机械臂动力传输功能;钢丝绳缠绕式末端执行器具有优越的容差和软捕获性能,适合用于实现对安装有捕获接口的合作目标以及非合作目标卫星发动机喷管的捕获;而欠驱动三指末端执行器具有良好的待捕获目标物体形状自适应功能以及软捕获功能,因此可用于对空间形状不规则的太空垃圾等目标进行非合作目标捕获。通过对多功能在轨维护机器人系统及其末端工具快换过程以及末端执行器对目标捕获操作的研究,所提出的基于末端工具快换的多功能在轨维护机器人系统有较好的应用前景。     

微型航天器与空间非合作目标交会制导方法

星载设备能力有限的微型航天器在与空间非合作目标交会任务开始前,存放在空间轨道平台内,为了使其完成此项任务,需要设计制导方法。本文首先根据希尔（C-W）方程,设计了初制导律,然后在视线坐标系内建立了微型航天器与非合作目标间的相对运动方程,并设计了空间交会自寻的末制导律。交会任务开始时,为节省微型航天器的燃料,轨道平台根据初制导律以一定速度及释放角度释放微型航天器,微型航天器进入交会轨道,在初制导的作用下,经过若干个过渡轨道周期后接近空间非合作目标,并为末制导提供良好的交班条件,当末制导导引设备捕获并跟踪目标后可通过自寻的末制导最终完成与空间非合作目标交会任务。     

在轨服务中非合作目标空间圆检测方法研究

为自主完成空间服务任务,需要满足各种功能需求、突破多种关键技术。针对在轨服务中具有圆特征的非合作目标空间圆（星箭对接环、发动机喷管等）,首先分析了非合作目标空间圆检测技术在在轨服务系统中的主要应用;然后提出了一种非合作目标空间圆的检测方法,通过Canny算子检测边缘,并用Freeman链码法对边缘进行提取分类,再利用RED算法进行非合作目标空间圆检测;最后给出仿真结果,在保证检测精度的前提下,较传统的RED算法明显降低了算法的耗时量。     

一种空间吸附式爬行机器人设计及其步态规划

针对可在空间飞行器表面吸附爬行和自主可控飞行的空间机器人爬行过程进行控制与仿真问题,在某系统方案和机构设计基础上,基于机器人行走稳定裕度的要求,设计了一种稳定快速爬行的步态,对其足端步态运动轨迹采用三次多项式插值的方法进行规划,并通过逆运动学求解出各个关节的运动轨迹,基于Adams软件对机器人进行动力学建模及仿真,结果表明在空间零重力环境下,四足吸附式爬行机器人能够快速稳定的行走,验证其机构设计和步态规划的合理性。     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

基于速度增量的空间绳系机器人中距离逼近过程最优轨迹规划

针对空间绳系机器人中距离逼近过程最优轨迹规划问题,提出了基于速度增量的多目标逼近轨迹优化方法,优化指标为总速度增量及逼近时间。首先建立逼近过程相对动力学模型及最优逼近轨迹优化模型,然后利用改进型非劣分类遗传算法得到相对逼近距离1.5 km内逼近轨迹的Pareto最优解。仿真结果表明,该方法可以揭示空间绳系机器人逼近距离1.5 km内逼近时间、燃料消耗、相对目标的面内视界角及速度增量次数之间的相互关系,能满足针对不同任务需求提供相应最优轨迹的要求。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

空间非合作目标多指包络抓捕路径设计

针对现有空间非合作目标抓捕中存在无固定抓捕点以及待抓捕目标存在动态性等问题,提出了一种"主-从"式多指包络抓捕路径设计算法。首先,为了降低多指包络构型设计中的自由度,将多指机构分为一根主手指和其余从手指两类。然后,为了实现对具有动态性的空间非合作目标的抓捕,采用误差跟踪控制方法使主手指的基关节与包络点之间的运动保持同步。接着,引入单向距离的概念衡量主手指构型和包络边相似度,并利用快速搜索随机树算法寻找使得单向距离最小的主手指关节角取值。进一步,根据多指机构的结构模型,确定其余从手指的构型。最后,根据包络条件选择能够约束住空间非合作目标运动的有效包络构型。通过对可以简化为扁平型的空间非合作目标和一般性三维空间非合作目标这两类目标的包络抓捕仿真可以得出,所设计的算法可适用于一般性空间非合作目标的包络抓捕,同时计算复杂度也大大降低。     

基于非精确计算的空间探测相控阵雷达任务规划算法

针对空间探测相控阵雷达系统,提出了一种新的基于非精确计算模型的观测任务规划算法。首先,建立了目标观测的实时任务模型,并分析了观测任务所占用传感器的资源;其次,基于非精确计算模型,提出一种多任务并行的实时容错调度算法来解决观测任务规划问题,该算法综合考虑相控阵雷达的搜索任务与跟踪任务,来进行系统资源的分配。对于跟踪任务,算法结合目标的过境时间以及当前系统的负载情况,以此来确定雷达对该目标的观测时间段;最后给出了算法的评估方法。利用2886个低轨空间目标进行仿真验证,结果表明,基于非精确计算模型的任务规划算法,可显著提高系统调度成功率以及时间资源利用率．比传统方法更稳健。     

非合作体附着下的组合体航天器自适应控制

空间中非合作体附着航天器本体后,新组合体惯量参数未知、系统引入的动量变化未知,容易造成航天器姿态控制失稳.针对此问题,提出了一种基于非合作组合体整体惯量估计的自适应控制方案,实现不同情形附着下新组合体姿态的快速和高精度恢复.通过构造李雅普诺夫函数,对自适应控制方案稳定性进行了证明.搭建的某卫星被非合作组合体附着后的姿控仿真平台表明,在非合作体惯量参数未知、引入动量未知以及附着前系统状态不定等恶劣情况下,采用该算法的组合体姿控误差可收敛到一个极小的领域内,可以实现对非合作组合体系统快速而有效的控制.     

空间多机器人协同的多视线仅测角相对导航

研究了空间多机器人对非合作目标的多视线协同仅测角相对导航问题。为利用多视线信息融合提升仅测角相对导航性能,给出了一种可观测度优化的多视线仅测角相对导航方法。首先基于二阶CW方程构建了中心机器人与目标相对动力学模型和状态方程,并构建了仅包含多伴飞机器人视线角的观测方程,结合扩展卡尔曼滤波算法,形成多视线仅测角相对导航系统;然后分析推导得到可观度最优的视线间夹角条件,提出了兼顾可观测度和长期自然维持的多伴飞机器人观测构型优化方法;最后,数学仿真结果表明,提出的多视线仅测角相对导航系统、可观测度最优的视线夹角条件和观测构型优化方法,可以显著提高距离状态可观测度和估计性能,且具有较好的工程可用性。     

空间双臂机器人抓捕非合作目标后的协调稳定控制

由于非合作目标惯性参数的不确定性以及双臂操控目标的拉扯/挤压作用,空间双臂机器人稳定非合作目标的过程中机械臂末端与目标可能产生过大的接触力与力矩,从而可能对目标造成损伤.针对该问题,提出了一种协调稳定控制方法,通过协调双臂期望运动实现双臂末端与目标交互的柔顺,降低稳定过程中产生的接触力与力矩.首先,利用目标惯性参数的估...     

空间服务与操控中的人工智能技术

介绍了国内外空间服务与操控领域及人工智能技术应用发展现状,并针对性提出非合作目标燃料补加、合作目标在轨组装、星表太阳能电站建造、微小飞行器"镜群"试验共4类人工智能应用场景,规划了阶段目标和需突破的关键技术,可作为空间服务与操控技术智能化发展的参考。     

单站发射多站接收的空间目标激光测距技术

激光测距作为空间目标测定轨精度最高的技术,对非合作目标的测量精度比微波雷达、光电探测等技术高1～2个数量级,非常有利于非合作目标的精密定位、轨道复核及精确编目,保障在轨空间飞行器的安全。激光在非合作目标表面会发生漫反射,返回光斑弥散、回波微弱,采用大口径望远镜接收系统是必要的。鉴于大口径望远镜研制难度大,提出基于单站发射多站接收的空间目标激光测距新方法,即采用多接收望远镜增加接收面积,实现目标测量能力提升。通过分析单站发射多站接收的激光测距技术特点,基于双望远镜系统开展空间合作目标测量实验,验证了多望远镜接收激光信号的可行性,为该测距技术发展奠定了实验基础。     

面向飞机狭窄空间的双机器人协同装配关键技术分析

针对飞机狭窄空间装配工作量大且制孔质量及精度要求高等难题,提出一种面向飞机狭窄空间的双机器人引导–协同作业智能控制技术。研究双机器人轨迹规划以及协同离线仿真、机器人协作视觉伺服控制补偿、可快换的多功能末端执行器设计关键技术,在保证机器人系统与工件的安全作业时,完成目标孔位的加工,以提高装配的精度,降低装配空间的占用,为进气道性能设计提供支撑。试验表明,通过视觉伺服控制补偿,机器人的绝对定位误差降至±0.1 mm以内。     

面向月面探测的空间机器人-航天员手势交互方法的研究

针对月面探测机器人-航天员手势交互的问题,以航天员助手机器人(AAR-2)为实验平台,运用卷积神经网络模型,提出了一种静态手势识别方法。采用该方法对设计的8种空间人机交互手势进行了手势识别试验,并将试验结果与单通道的CNN等方法的结果进行对比,证明了该方法能在一定程度上提高静态手势识别率,识别准确率达到93.3%。并自制了一套小型空间人机交互的手势数据集,用以补充该方法在月面探测的实际任务中的不足。     

空间细胞机器人接管控制的分布式控制分配

采用接管控制技术延长航天器寿命为在轨服务提供了一种新思路,本文提出一种利用空间细胞机器人实施航天器接管控制的方案。针对空间细胞机器人实施接管控制的控制分配问题,建立了空间细胞机器人实施接管控制的动力学模型。为实现分布式控制分配,提出了一种基于CBBA算法的接管控制分配算法,利用自由市场机制实现控制分配的分布和异步计算。综合考虑了执行能力匹配、剩余能量和执行器输出限制,定义了空间细胞机器人的收益函数,空间细胞机器人通过自由拍卖和一致性协商完成控制任务的分配。通过蒙特卡罗分析,将本文算法与集中式分配算法零空间修正伪逆法相比较并进行参数影响分析,本文算法在保证分配精度的情况下,具有能量均衡等能力。     

空间机器人系统的最小燃料重复运动控制

提出了一种空间机器人系统的重复运动控制方案。用一组完整约束来逼近非完整约束,并将该完整约束用于空间机器人逆运动学的计算,这样即可以满足关节空间重复运动的要求,又可以大大减少控制载体运动所需的燃料和避免安装在载体上的反作用轮达到饱和。仿真结果证实了控制方案的有效性