基于CoppeliaSim的空间环境腔体式气动软体臂仿真

研究了一种用于腔体式气动软体臂在空间环境抓抱动作的运动学和动力学仿真技术。利用CoppeliaSim和Python通过API接口的方式联合仿真,在CoppeliaSim中将软体臂等效成多个铰接的刚体支段,建立软体臂与被抓抱物运动学和动力学模型。在Python中建立软体臂气动系统、容腔特性、关节运动、软体臂力学特性和控制系统的模型。仿真模拟了在空间环境下,软体臂抓抱目标物的实时工作状态和与动力学交互过程。结果表明,仿真曲线与实验基本一致,验证了仿真的正确性,为软体臂等方面的设计和仿真研究提供了新的思路。     

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。      

加工装配误差影响下偏转射流压力伺服阀静态特性分析

电液压力伺服阀是电液压力伺服控制系统的核心控制元件，广泛应用于航空、航天、军事等领域。区别于流量伺服阀，压力伺服阀在滑阀放大器的设计上多采用带有压力控制容腔的三通阀结构，不同的滑阀结构使得现有的偏转射流流量伺服阀仿真模型难以满足压力伺服阀性能预测的需求。本文基于AMESim平台建立了偏转射流压力伺服阀的仿真模型，并通过实验对仿真模型进行了验证，验证结果表明仿真模型能够准确地描述压力伺服阀的静态特性。最后，通过仿真模型分析了加工装配误差影响下压力伺服阀输出性能差异，仿真结果可为偏转射流压力伺服阀的性能预测和结构设计提供参考。     

压电式高速开关阀控液压缸位置系统

针对开关阀控液压缸位置分辨率低、响应慢的问题,设计了压电式高速开关阀控液压缸位置系统。首先,建立开关阀控液压缸位置系统模型,分析了PWM载波频率对开关阀流量特性的影响规律,采用基于差动流量的双阀结构,实现液压缸负载流量的非线性补偿,减小开关阀死区对系统静、动态性能的影响。然后,分析双阀控制式液压缸系统负载脉冲流量的影响因素,得到了开关阀控液压缸位置抖振的产生机理,比较基于脉冲流量的PWM、PAM、PFM控制方法。最后,依据压电式高速开关阀流量特性,提出了PWM+PAM的复合控制方法,根据误差信号及其变化,调节占空比和流量幅值,实现液压缸位置的快速、精确控制。仿真及实验结果表明:系统定位精度将近1%,为高速开关阀及其控制系统应用提供了理论基础。      

气动舵机高压反向直动式减压阀的设计及特性

气动舵机在防空导弹的飞行姿态控制系统中是关键部件,直接影响导弹的飞行稳定性及姿态控制能力。弹载高压气体经过减压为气动舵机提供动力,可以减小气源系统所占的空间且尽可能多地携带气体以利于提高导弹射程。针对某型号导弹,设计了一种具有锥形阀瓣的高压反向非平衡直动式减压阀,建立了该类减压阀热力学及静力分析的数学模型,并在此基础上开发了其设计校核软件。建立了基于AMESim软件的稳态及非稳态进口压力下的仿真模型,对其压力、流量特性及阀芯位移特性进行了模拟分析。结果表明:该减压阀在设计参数下具有较好的压力及流量特性,且理论计算结果与仿真分析结果吻合较好。      

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。     

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.     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

基于神经网络的自由漂浮空间机械臂 自适应鲁棒控制

针对自由漂浮空间机械臂动力学模型难以精确获得,且无法表达为关于未知参数的线性形式问题,提出基于自适应神经网络的鲁棒控制方法.对于不确定性空间机械臂系统模型中存在的未知不确定部分,利用神经网络的万能逼近特性,设计神经网络控制器来补偿未知模型,避免传统控制中的保守上界估计;采用泰勒线性化技术将神经网络隐含层中的高斯函数线性化,设计包括网络权值、高斯中心及宽度在内的网络全参数自适应学习律,实现在线实时调整,提高控制精度;设计鲁棒自适应控制器来抑制外界扰动,并补偿逼近误差,提高系统鲁棒性;基于Lyapunov理论证明闭环系统的一致最终有界（UUB）.仿真试验表明所提控制方法能够获得较好控制效果,对空间机械臂控制具有一定工程应用价值.     

空间机器人动力学建模与模型验证

建立带任意节机械臂的空间机器人动力学模型,并验证了模型的正确性．采用Kane方程建立了各体间转铰具有三自由度的空间多体系统的动力学模型,利用投影算子将所建立的模型退化为各节机械臂间具有单自由度转铰连接的空间机器人动力学模型,依据动力学三大基本定理,即动量定理、动量矩定理、动能定理设计了模型验证方案,通过数学仿真验证了所建立模型的正确性．     

一种基于模型预测控制的柔性关节空间机械臂的轨迹跟踪控制#br#

柔性关节空间机械臂在太空中的操作问题与几个因素有关,其中最重要的因素之一是关节的弹性振动.为了克服这种弹性振动带来的影响,提出了一种基于模型预测控制方法的双连杆柔性关节空间机械臂对目标跟踪的控制策略.首先,利用欧拉 拉格朗日公式进行动力学建模;然后,提出一种连续线性化模型预测控制方法,并将其应用于非线性柔性关节空间机械臂的模型中;最后,通过数值仿真来验证本文所提出方法的有效性.     

一类空间机械臂的复合自适应控制

对于本体姿态受控而位置不受控的空间机械臂系统,其自适应控制通常是从跟踪误差中获取有关参数信息。但除了跟踪误差外,估计误差中也含有参数信息。该文首先分析了一类空间机械臂系统的动力学特性,建立了系统的估计模型;提出了一种复合自适应控制方法,其参数适应律由估计误差和跟踪误差共同决定;证明了这种自适应方法不仅可维持自适应控制系统的全局稳定,而且还可快速收敛和减少跟踪误差。仿真结果也验证了这一特点。     

基于模型的数字式电液作动器智能控制方法

本文针对数字式电液作动器的位置控制展开研究,提出了一种基于模型的算法,能够实时的对数字式电液作动器系统的状态进行预测,根据预测的状态完成位置控制。在阀脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)方法和脉冲数量调制(Pulse Number Modulation, PNM)方法的基础上,改进了数字阀系统的控制方法。建立了完整的数字式电液作动器系统的模型,通过软件联合仿真得到作动器的控制结果。最终结果表明：采用基于模型的算法,能够使得作动器的追踪精度达到0.5mm。与传统方法相比,此方法逻辑简单,可行性强,控制效果较好。     

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。     

柔性机械臂辅助空间站舱段对接阻抗控制

空间机械臂辅助舱段对接过程中存在测量与控制误差,易导致对接机构间存在较大接触力,传统FMA (Force MomentAccommodation)控制方法在测量接触力时无法消除大负载惯性力对测量的影响,且测量仪器的引入会进一步降低空间柔性机械臂的刚度。为此,文章提出了柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制方法,采用拉格朗日法推导了空间机械臂的关节输入力矩方程作为前馈输入,建立了含动力学前馈的空间机械臂阻抗控制程序,并以在商业软件ADAMS中建立的空间柔性机械臂与对接舱段组成的系统动力学模型作为控制对象,对系统进行ADAMS灢Matlab联合仿真。仿真结果表明,按照此控制方法,系统可克服外力干扰使目标解析点按照期望的方式运动;同时,通过测量机械臂关节运动参数即可实现对外力的准确感知,而不需额外添加力传感器,既消除了大负载惯性力对测量的影响,也不会导致柔性机械臂刚度的降低。