空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制

提出了动态抓取域用于空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。首先建立了空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入了末端装置抓取目标时的碰撞模型,并提出了"动态抓取域"用于机械臂抓取目标时的控制,同时应用关节主动阻尼控制,以减小抓取碰撞激振对空间机器人冲击的影响。结果表明:在相同抓取时间下,加速抓取明显优于匀速抓取,碰撞力振幅减小至匀速抓取时的20%,对空间机器人的激振冲击明显消除,仅在抓取结束前有小幅激振。这对空间机器人的抓取控制有着重要的理论价值及工程实际意义。     

空间机械臂绳索式末端执行器柔顺抓捕策略研究

针对机械臂抓捕非合作目标过程碰撞冲击大易造成基体偏转或目标逃逸的问题,提出并实现了快速接近-慢速接触-速度跟踪(FA-SC-VT)的末端捕获策略,并基于建立的系统全数字仿真模型对捕获策略进行了仿真验证,结果表明FA-SC-VT捕获策略与匀速捕获策略相比,可大幅减小机械臂捕获目标过程末端产生的冲击力,并可有效解决目标捕获过程中的逃逸问题。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程冲击动力学建模及基于非线性滤波器的镇定运动控制

研究了空间机器人系统捕获目标卫星时发生碰撞的冲击效应及之后的稳定控制问题。首先利用拉格朗日第二类方程建立了空间机器人系统的动力学模型,目标物的动力学方程则通过牛顿欧拉法获得。其次利用运动几何关系及动量守恒原理,分析了碰撞冲击对系统的影响。对于两者接触后形成失稳的联合体系统,设计了输出反馈控制方案,以完成稳定控制。同时,考虑到空间机器人输入力矩有限的条件,运用带饱和函数的控制率将控制力矩限制在一定范围内。该方案利用非线性滤波器估测机械臂关节的速度,使其在控制过程中仅需测量系统位置信息。最后,通过李雅普诺夫判据证明了系统的稳定性。数值仿真实验模拟了碰撞冲击效应,并验证了上述控制方案的有效性。     

基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究

针对7自由度空间机械臂在目标捕获过程中的应用,根据机械臂末端执行器与目标适配器导向插入过程中存在接触碰撞的特点,提出一种阻抗控制方法,将机械臂末端测量的反作用力和力矩转化为位置增量,从而提高机械臂的主动柔性。并建立MATLAB/ADAMS联合仿真模型进行仿真验证,利用ADAMS的碰撞模型模拟接触捕获时的力学过程。仿真结果表明,本文提出的阻抗控制方法可以减小机械臂末端作用力和关节的驱动力矩,补偿了机械臂位置控制的误差,从而保证了机械臂对目标的捕获精度。     

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。     

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。     

空间机器人双臂捕获卫星后闭链系统的滑模变结构控制

研究了双臂空间机器人系统捕获目标时发生碰撞的冲击效应及之后形成的闭链系统的稳定控制问题。针对具有漂浮基的空间机器人系统及目标系统,分别采用拉格朗日第二类方程及牛顿欧拉法分别建立其动力学模型。在双臂空间机器人捕获目标的过程中,利用力的传递关系及运动几何关系,分析了两者的瞬间碰撞冲击效应。对于两者接触后形成翻滚的联合体系统,结合闭环约束条件及总动量守恒原则,获得了闭链系统动力学方程;并设计了滑模变结构控制方案,以完成镇定运动控制。考虑到空间机器人闭链系统存在控制器冗余的情况,运用最小权值范数法,均衡分配各关节力矩。最后采用数值仿真实验模拟了碰撞冲击效应及镇定过程,并验证了上述控制方案的有效性。     

一种基于位置阻抗的机械臂抓捕飞行器控制方法

针对机械臂抓捕飞行器过程碰撞冲击大或发生大构型变化易碰撞问题,提出并实现了一种基于位置闭环的阻抗控制方法,通过对机械臂末端等效刚度控制实现机械臂抓捕目标过程的柔顺控制,基于建立的系统全数字仿真模型对控制效果进行了仿真验证,结果表明阻抗控制软抓捕与位置保持硬抓捕相比,可大幅减小机械臂抓捕目标过程末端与目标间的碰撞冲击力,并且能控制机械臂构型在抓捕中不产生过大变化从而避免碰撞。     

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。     

基于机器人柔性毛刷的空间翻滚目标消旋

设计了一种柔性减速刷消旋机构，将其安装于七自由度机械臂的末端，通过与翻滚目标帆板之间的接触碰撞进行消旋。利用绝对节点坐标法推导了柔性减速刷的动力学模型，并对其接触碰撞进行分析。针对自由漂浮空间机器人动力学建模和基座姿态的控制进行了研究，采用基于计算力矩法的滑模控制策略，对末端参数不确定的七自由度机械臂进行控制。滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏等特点，确保了系统的全局鲁棒性和稳定性。有利于节省消旋时间，提高消旋效率。通过PD控制和滑模控制消旋仿真验证，该消旋策略能够成功消除初始旋转速度，消旋程度达90%以上，具有可行性与有效性。     

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。     

“绳网飞行器+绳系机械爪”捕获近地小行星的新概念方案

以近地小行星重定向任务为背景,分析了仅采用机械臂或大型口袋捕获小行星将会遇到的潜在技术困难,提出了利用释放绳网飞行器与绳系机械爪捕获小行星的新概念方案。当探测飞行器接近小行星后,其捕获目标的过程主要包括三个步骤:1)探测飞行器释放绳网飞行器,绳网飞行器接近小行星并转移至姿态同步跟踪;2)绳网飞行器捕获小行星并实施收口操作;3)探测飞行器释放绳系机械爪抓取绳网节点实现拖曳。基于"绳网飞行器+绳系机械爪"捕获小行星新方案,对绳网飞行器的收口机构和绳系机械爪进行了针对性设计,主要体现在对收口机构更新了能量储存方式以及将绳系机械爪的捕获对象设定为绳网结点。"绳网飞行器+绳系机械爪"捕获小行星的新概念方案强调了捕获过程中探测飞行器的安全性问题,值得进一步深入研究。     

柔性臂空间机器人的一类运动学方程及轨迹规划

用柔性机械臂连杆末端的弹性变形以及变形角度来表示空间机器人柔性臂的弹性运动变量,克服了用无穷维振动模态变量来表示弹性变形给系统运动学建模带来的困难;基于广义雅可比矩阵的思想,建立了柔性臂空间机器人"双广义雅可比矩阵"形式的运动学模型,该运动学模型描述了柔性臂弹性变形对空间机器人的运动影响;以运动学方程为基础,设计了柔性臂空间机器人的惯性空间内连续轨迹规划算法。仿真表明,规划的机械臂关节运动规律可以补偿柔性连杆振动给机械臂末端位置带来的影响,使机械臂末端位置准确沿着期望的轨迹运动。     

惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。     

结合深度学习的机械臂视觉抓取控制

针对基于视觉的机械臂抓取精确抓取的需求,考虑传统的视觉识别算法受环境、对象变化的制约且在识别正确率及快速性上存在的问题,在现有研究的基础上,提出了一种基于深度学习的目标精确检测与识别方法。首先基于深度学习改进了YOLO算法,通过对数据集的训练,基于英伟达Jetson TX1高性能处理单元实现了复杂环境下多目标的识别与定位,给出了目标的类别与位置等信息;以此为基础,结合利用Move It!功能包完成的机械臂运动轨迹的求解与规划,以及基于李群李代数建立的递推正逆动力学模型,设计了机械臂抓取控制的滑模控制律。仿真及实物验证表明,基于深度神经网络的方法学习到的特征对复杂背景具有较强的鲁棒性和稳定性;所设计的滑模控制算法在0.21 s时跟踪误差在2%,取得了较高的控制精度。可为后续视觉抓取任务提供参考。     

空间机器人抓捕目标后的载荷分配

针对多臂空间机器人以软指接触形式抓捕目标后的情形,提出了一种综合考虑摩擦约束及机械臂能力约束的目标期望合外力的载荷分配方法。首先,建立空间机器人系统与目标的动力学方程,作为载荷分配问题的基础。然后,在地面机器人相关研究的基础上,建立机械臂末端与目标表面的软指接触模型,并建立二者之间的运动约束关系。为简化优化计算,将摩擦锥约束线性化,并建立考虑关节扭矩限制的机械臂能力约束,从而将抓捕力优化的非线性规划问题转化为线性规划问题。最后,采用双臂空间机器人模型进行数值仿真,表明所提方法针对目标各种形式运动进行载荷分配的有效性。     

基于多智能体强化学习的空间机械臂轨迹规划

针对某型六自由度（DOF）空间漂浮机械臂对运动目标捕捉场景,开展了基于深度强化学习的在线轨迹规划方法研究。首先给出了机械臂DH （Denavit-Hartenberg）模型,考虑组合体力学耦合特性建立了多刚体运动学和动力学模型。然后提出了一种改进深度确定性策略梯度算法,以各关节为决策智能体建立了多智能体自学习系统。而后建立了"线下集中学习,线上分布执行"的空间机械臂对匀速直线运动目标捕捉训练系统,构建以目标相对距离和总操作时间为参数的奖励函数。最后通过数学仿真验证,实现了机械臂对各向匀速运动目标的快速捕捉,平均完成耗时5.4 s。与传统基于随机采样的规划算法对比,本文提出的自主决策运动规划方法求解速度和鲁棒性更优。     

基于附加约束方法的空间飞网碰撞动力学与仿真

针对空间飞网捕获目标时的碰撞问题,基于向量式有限元离散方法,采用Kelvin-Voigt绳段模型,引入附加约束方法,对飞网捕获碰撞过程进行了动力学建模和仿真,分析了飞网在捕获碰撞阶段的位形变化、能量变化、碰撞力和绳段张力变化。结果表明,空间飞网的位形、能量和对角线绳段内力在碰撞过程中都会发生显著变化。可为空间飞网系统的设计提供一定的借鉴。