七自由度空间机械臂避障路径规划方法

针对七自由度空间机械臂在轨捕获目标任务的需求,提出了一种避障路径规划方法。主要是根据机械臂和障碍物的几何特征,对机械臂模型和障碍模型进行简化;通过研究机械臂自身所固有的几何特性和障碍物的位姿坐标,分析机械臂各杆件与障碍物发生碰撞的条件,进而求出空间机械臂的无碰撞自由工作空间;利用优化的A＊算法,在七自由度空间机械臂的自...     

欠驱动余度机械臂的非完整冗余特征研究

欠驱动技术在航天领域有重要应用价值。针对空间机器人系统,研究了欠驱动冗余度机械臂的"非完整冗余"特征和无碰撞路径最优运动规划方法。这种系统对于给定的机械臂末端位姿,其冗余特征不便通过传统意义上的运动学"自运动"来刻画,但是因机构自由度数大于工作空间维数,系统的冗余特征可通过动力学水平的控制体现出来。基于李雅普诺夫方法,提出一种欠驱动冗余度机械臂的无碰撞路径最优规划方法,揭示了这种机器人系统的"非完整冗余"特征,通过平面3连杆机械臂进行了仿真。     

机械臂初始构型对航天器姿态干扰力矩的影响研究

针对机械臂在笛卡尔空间的轨迹规划,文章提出一种初始构型的最优化方法。首先,采用牛顿-欧拉法建立七自由度空间机械臂的逆动力学方程,从而得到机械臂的反作用力、力矩和机械臂的运动学参数之间的对应关系。其次,利用关节角参数法得到七自由度冗余机械臂的各种初始构型,并基于速度级逆运动学对机械臂进行不同初始构型下的轨迹规划。仿真表明:在不同的初始构型下对机械臂末端进行轨迹规划,机械臂在运动过程中对基座产生的反作用相差较大。因此,通过调整机械臂的初始构型,能大大减小其在运动过程中对航天器的干扰力矩。最后,给出算例验证了方法的有效性,按此方法可找到一种使航天器所受反作用力矩峰值最小的初始构型。     

空间冗余机械臂零反作用最优路径规划

自由漂浮空间机械臂运动通过力传递会对其载体航天器产生反作用力和力矩,从而影响基座和末端执行器的位置与方向。利用冗余机械臂的反作用零空间,求解对基座航天器姿态零干扰的机械臂运动规律的解析解。给定机械臂初始和终端状态,考虑最大关节角约束和最大关节角加速度约束,分别针对时间最优和沿整个运动路径关节加速度最小的问题,采用高斯伪谱法,在零反作用轨迹解集中寻找满足约束方程的最优解。所得最优解使得机械臂在达到期望构型的同时不影响基座姿态。将算法用于平面3自由度冗余机械臂系统中,仿真结果表明:算法在保证基座姿态稳定的同时,关节运动满足给定的约束条件,从而验证了算法的有效性。     

空间冗余机械臂的路径规划算法研究

对空间机械臂的路径规划算法进行了研究。针对一种星体和冗余机械臂(7自由度)的星臂联合系统,采用星臂联合路径规划方法。建立了机械臂末端位置和姿态的运动学方程。用基于多项式的伪逆路径规划算法对路径进行规划。仿真发现用三次多项式规划算法所得系统运行平滑且稳定末端能跟踪上目标,运行初始和结束时刻角速度达到设计要求,但系统运行结束时角加速度未收敛至零,存在软冲击缺陷。增加两个角加速度约束条件,用五次多项式改进了规划算法,仿真发现该系统解决了软冲击问题,且运行更稳定。为避免伪逆算法因奇异而失效的固有问题,设计了一种基于五次多项式的伪逆路径和规避奇异路径的联合规划方法。采用倒数法规避奇异问题,当奇异出现时,采用规避奇异路径规划算法,计算阻尼最小方差广义逆矩阵;当奇异不出现时,采用基于五次多项式的路径规划算法,计算雅可比矩阵的广义逆。最后可规划出机械臂各关节的角速度。仿真表明:用该联合规划方法所得系统在保证运行的精度和稳定度的同时,可避免奇异问题,提供了系统的稳定性和安全性。研究对空间机械臂设计有一定的参考价值。     

考虑在轨运动可靠性的空间机械臂关节力矩优化方法

提出一种考虑在轨运动可靠性的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法。首先将机械臂操作空间中点到点的转移任务从笛卡尔空间转换至关节空间,利用七次多项式插值法对各关节变量进行参数化处理,获得粒子群算法的优化控制参数;与传统路径规划方法不同,将机械臂各关节力矩的均值和最小作为粒子群算法优化求解的目标函数;依据该目标函数以及相应优化控制参数,利用粒子群算法对空间机械臂运行轨迹进行优化求解,得到机械臂关节力矩均值和最小的运行路径。仿真实验表明,相比传统路径规划方法及以关节力矩二范数为目标函数的关节力矩优化方法,在降低冗余度空间机械臂关节力矩均值方面,文中方法分别减小了33.57%和10.47%;在降低关节力矩最大值方面,分别减小了43.25%和6.19%。     

一种基于S-R-S构型特点的正交冗余机械臂避障规划方法

针对正交冗余机械臂避障规划问题,提出了一种基于S-R-S构型特点的避障规划新方法。该方法将正交7自由度冗余机械臂构型等效为S-R-S(球副-转动副-球副)构型,并依据S-R-S构型特点将避障规划分为肘部笛卡尔位置规划、第2根臂杆规划、末端工具规划3个部分。引入Bézier曲线完成肘部和末端工具在球面的避障规划,第2根臂杆的避障规划依据避障最大运动能力调整完成。通过Schunk-Lwa4D正交冗余机械臂避障规划实验,验证了提出的基于S-R-S构型特点的避障规划新方法的有效性和可行性。     

基于Sarsa(λ)强化学习的空间机械臂路径规划研究

针对目标特性未知的在轨操作环境,研究了典型空间操作机械臂的路径规划策略。采用Sarsa(λ)强化学习方法实现目标跟踪及避障的自主路径规划与智能决策,该方法将机械臂系统的每节臂视为一个决策智能体,通过感知由目标偏差和障碍距离程度组成的二维状态,设计符合人工经验的拟合奖赏函数,进行各臂转动动作的强化训练,最终形成各智能体的状态-动作值函数表,即可作为机械臂在线路径规划的决策依据。将本方法应用于多自由度空间机械臂路径规划任务,仿真结果表明新算法能在有限训练次数内实现对移动目标的稳定跟踪与避障,同时各智能体通过学习所得的状态-动作值函数表,具备较强的后期在线自主调整能力,从而验证了算法较强的鲁棒性和智能性。     

基于移动机器人的运动学半物理系统的规划方法

针对基于移动机器人的半物理系统运动精度较差,需要机械臂对移动机器人进行实时精度补偿的问题,提出了一种以超冗余机械臂为规划对象的整体规划方法。该方法将整体系统等效为一个超冗余机械臂,并且根据该超冗余机械臂的自运动特性调整关节构型,使其远离关节极限并且最大化灵活操作能力,为后续的实时补偿控制创造条件。最后将该算法在实际搭建的基于移动机器人的半物理系统上进行了实验,实验结果验证了该算法的必要性和有效性。     

空间机械臂辅助深层采样阻抗控制策略

针对空间机械臂辅助深层采样任务中的建模与控制问题,基于刚体李群SO(3)方法对机械臂进行建模。通过梯形规划对机械臂进行轨迹规划,采用阻抗控制方法控制机械臂运动。推导了李群SO(3)模型下机械臂关节空间与末端笛卡尔空间之间的雅可比矩阵,并且得到了两个空间的相互转换关系。采用锥互补方法计算采样机械臂与复杂接触面的碰撞力,并基于非光滑算法求解锥互补条件与系统动力学方程。通过对比位置控制与阻抗控制,证明了阻抗控制在实际应用过程中能够更加柔顺地控制机械臂与接触面进行接触。通过对控制参数进行调整,探究了不同控制参数对机械臂控制的影响,优化得到了合适的控制参数,从而能控制机械臂辅助完成深层采样的任务。     

美国空间态势感知能力研究

增强空间态势感知能力是空间资源开发、空间安全、空间控制以及利用空间实施军事行动的关键。分析了美国天基空间目标监视的现状及动态,在此基础上讨论了空间目标探测领域所涉及到的各种关键技术及相应的需求方向,为发展天基空间目标监视系统提供了有益参考。     

国际空间法中的限制性义务及其他规则概要

国际空间法是指调整国家、国际组织之间开展外空探索、利用、开发活动中权利义务规则的总称。狭义的国际空间法仅指以联合国外空五大公约为核心的国际条约体系,对于缔约国是具有强制的法律约束力的;广义的国际空间法还包括联合国大会决议和联合国外空委大会文件在内的不具有法律约束力、但具有很强的政治约束力的外空国际活动规则。中国1983年加入《外空条约》,1988年加入《营救协定》、《责任公约》和《登记公约》,没有加入《月球协定》。文章分析前4个公约以及《遥感原则》、《防止在外空部署武器条约草案》、"外空透明与建立信任措施"联大决议、《外空活动长期可持续准则草案》等不具有法律约束力的文件,简要分析其对中国航天活动可能产生的限制和影响,并提出对策、建议。     

未来空间技术发展展望

经过近50年的发展,我国空间技术取得了举世瞩目的成就,在新的历史时期,世界航天将跨入一个新的发展高潮,我国经济社会的发展对航天事业提出了更高的要求。文章提出了我国未来航天器发展体系,介绍了未来5年我国空间技术发展的重点任务,分析了专业技术发展方向,提出了创新发展的对策建议。     

A new era? Military space policy enters the mainstream

A military dimension to the use of space has existed since the earliest days of space activity. Historically, military space policy has been somewhat peripheral, but the ever increasing use of space in support of military objectives has now driven it into the mainstream of military planning. This has resulted in new consideration being given, particularly in the USA, to the organisation of space for national security and also raised the question as to whether national security interests demand space superiority and dominance.     

美俄卫星太空碰撞事件及对航天活动的影响

文章介绍了最近发生的美俄卫星太空碰撞重大事件;深入剖析了导致碰撞的可能原因;详细评述了卫星碰撞事件对空间碎片环境的严重恶化和对人类航天活动的影响;分析了碰撞事件对空间碎片研究带来的新困难和新挑战。文章指出,从航天器安全角度来讲,减缓、控制乃至清除空间碎片是全人类共同的责任和唯一选择。     

临近空间电子对抗研究

随着航空航天技术的迅猛发展,临近空间的地位日益突出,未来临近空间作为航空航天区域的补充,将发挥巨大的军事应用价值。介绍了临近空间的概念和特点,讨论了临近空间军事应用,指出了临近空间电子对抗的必然性。     

国外空间环境试验与探测技术现状与发展趋势

文章分析了与航天器飞行有关的4类空间环境的特点;介绍了国外空间环境试验技术的现状与发展概况。文章还重点分析了未来空间环境探测的发展趋势:加强了对空间环境动态变化的探测;将星座探测摆在重要地位;以地球轨道卫星为发展的主流;利用卫星加大对空间环境探测的力度;加强国际合作。国外空间环境探测的经验表明,我国应重视发展地球轨道探测卫星,尽快提高卫星有效载荷的水平。     

Space commercialization: Lessons from history

Private enterprise seeks to undertake virtually any activity that is institutionally and technologically feasible and that promises a high return on investment. Commercial activities in space would seem to be no exception. Indeed, it is reasonable to expect that, at some future date, commercial activities in space will overshadow government-sponsored research and military activities combined. But this date remains well into the future, it is highly uncertain, and it depends on government policies. Two major factors inhibiting further space commercialization are the current lack of necessary infrastructure and the lack of viable commercial activities. The necessary infrastructure is developing with the increasing operational status of the Space Shuttle and plans for a space station. It remains, however, to place increasing emphasis on the conduct of research in space to identify valid commercial uses of space.     

微小碎片对航天器舷窗玻璃损伤状况的跟踪研究

空间微小碎片环境比较复杂,其来源包括人为产生的碎片及微流星体。空间微小碎片不仅速度较高,而且数量庞大。它们频繁撞击航天器外表面,包括舷窗部位,特别是对航天飞机舷窗已造成巨大危害,使长期服役的国际空间站舷窗玻璃存在安全隐患。文章简要介绍了空间微小碎片对航天飞机和空间站舷窗玻璃的损伤状况,以及NASA对此做出的改进措施,这些跟踪研究成果可为我国长寿命、高可靠航天器舷窗结构设计提供参考依据。     

中国航天发展历程与启示 ——2009年空间环境与材料科学论坛大会报告

文章指出我国在应用卫星与卫星应用、载人航天和深空探测三大航天领域取得了巨大成就,为中国的经济、社会发展做出了巨大贡献,也展示了中国的综合实力。经过几十年的发展,中国进入太空能力得到了很大的发展,但在太空利用能力和太空控制能力的建设上还有更大的发展空间。随着我国航天事业的发展,用户对航天器的高可靠、长寿命的要求迫切,作为航天器功能实现的技术基础,环境、材料等基础研究工作应该去适应这种发展需求,加快基础能力的建设与发展。