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。     

有外力作用的多臂自由飞行空间机器人协调操作动力学特性

利用牛顿-欧拉方法分析了有外力作用时多臂自由飞行空间机器人协调操作的动力学特性。首先推导出多臂自由飞行空间机器人协调操作的机械臂关节驱动力矩和关节角速度及角加速度间的关系，其次建立了多臂自由飞行空间机器人系统的动力学方程和动力学计算模型，经仿真分析得到了在不同外力作用下多臂自由飞行空间机器人的本体的位置干扰规律，验证了有外力作用下的多臂自由飞行空间机器人的动力学特性。     

不同重力环境下空间机构电机驱动力差异

为了分析空间机构在不同重力环境中的驱动力差异,以单关节机械臂为研究对象,进行不同重力环境下直流电机驱动力差异分析。首先基于拉格朗日方程推导出单关节机械臂的动力学模型,为分析不同重力环境下,负载、摩擦和转速的变化对电机驱动力的影响,通过设计一套基于单关节驱动的机械臂试验装置,进行地面重力环境、地面模拟微重力环境和落塔微重力环境试验。然后基于试验数据详细分析了不同重力环境下空间机构电机驱动电流的差异,并基于试验数据对电机动力学方程中的摩擦参数进行辨识,从而获得基于试验数据修正的机械臂动力学仿真模型,为空间机构动力学设计与应用提供理论与试验依据。     

空间机器人抓捕碰撞分析与轨迹规划镇定控制

针对空间机器人抓捕目标过程中产生的碰撞冲击问题,分析了抓捕瞬态碰撞对机器人系统产生的影响,提出了一种控制力矩能量消耗少、对卫星平台基座扰动小的镇定控制方法,实现了对抓捕目标后组合体系统的镇定控制。首先,利用Kane方法建立了抓捕后的目标-机械臂-卫星平台组合体动力学模型;其次,利用ADAMS软件分析了瞬态碰撞冲击对空间机器人系统的影响,为后续镇定控制策略的设计提供初始仿真参数;采用四次多项式实现了机械臂关节空间轨迹的参数化,设定了基于控制力矩能量与基座扰动的加权目标函数,利用差分进化算法(DE)求解得到满足控制力矩能量消耗小、平台基座扰动少的机械臂关节空间轨迹。最后,利用七自由度空间机器人的数值仿真,验证了所提出方法的有效性。     

空间机械臂关节动力学建模与分析的研究进展

空间机械臂的机械部分是一个由关节和臂杆等结构、机构部件组成,在空间零重力环境下运行的多体系统。关节是空间机械臂的核心部件,在机械臂动力学特性中起着重要的作用。准确全面地了解关节的动力学特性,是正确分析与模拟机械臂系统空间运动特性的关键,而建立精确的关节动力学模型,是机械臂系统设计、分析和控制的基础。文章结合空间应用的特殊性,对机械臂关节动力学建模方法的发展过程和研究成果进行了总结;并讨论了关节模型的求解算法;最后,对空间机械臂关节动力学建模与分析方面有待进一步研究的问题进行了展望。     

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%。     

空间机械臂捕捉空间目标分析

基于建立的空间机械臂系统的运动学与动力学模型,以及动量守恒关系,对空间机械臂抓取空间目标进行了分析。讨论了两关节机械臂4种碰撞力方向及其对应的机械臂系统耦合角动量、关节转角的变化,提出了直臂抓取方案。仿真结果表明：通过控制碰撞力方向可有效减少碰撞力对系统耦合角动量、关节转角的影响,进而避免混合体控制的关节与力矩限制。     

基于时延估计的空间机器人无模型姿态解耦控制

针对空间机器人的基—臂姿态耦合问题,提出一种基于时延估计(TDE)的无模型解耦控制方法,以实现机械臂与基体的协调运动。首先,采用复合刚体动力学建模方法建立系统动力学模型。然后,分析动力学耦合特性,从多输入多输出(MIMO)角度出发,设计基于时延估计的无模型解耦控制器,实现机械臂关节轨迹精准跟踪与基体姿态稳定控制。最后,采用数值仿真方式,对比经典的基于模型解耦控制方法,即计算力矩控制(CTC),结果表明基于时延估计的无模型控制方法不仅效率更高,且解耦效果更好。     

多臂协调操作自由飞行空间机器人的位置和内力混合控制

基于多臂自由飞行空间机器人多臂协调操使负载沿着期望的轨迹运动并且控制负载所受的内力为目的，在多臂自由飞行空间机器人系统协调操作的动力学方程基础上，推导了各个机械臂协调操作负载按期望轨迹运动时各个机械臂关节的驱动力矩的计算方法；给出了作用在负载的内力的定义，根据关节力矩计算方法和PID反馈控制原理，建立了多臂自由飞行空间机器人协调操作负载时的位置和内力的控制算法；讨论了所提出的控制算法的稳定性问题，得到了负载的位置误差和内力误差的约束条件。通过仿真实验证明该控制算法能够使负载的实际位姿和内力收敛到期望的轨迹和内力。     

自由漂浮空间机器人最小基座反作用轨迹规划

在自由漂浮空间机器人系统中,由于机械臂与基座之间存在动力学耦合,机械臂运动会对基座产生不期望的反作用干扰,因此必须最小化基座反作用。为此,提出了一种关节空间内点对点轨迹规划的方法。首先,利用sin函数参数化关节轨迹;然后根据基座反作用和运动约束定义适应函数;最后利用混沌粒子群优化(CPSO)算法搜索空间机械臂的全局最优轨迹,使基座反作用最小。该方法考虑了机械臂的关节角、关节速度和加速度约束。给出一个仿真算例来验证该方法的有效性。规划的轨迹连续平滑,适用于多自由度空间机械臂。     

空间站宏微机械臂动力学建模与零反作用控制

为满足空间站宏微机械臂级联在一起运动的任务需求,文章提出一种简化的动力学建模方法。首先利用雅克比矩阵将柔性关节宏机械臂等效为柔性基座,根据柔性基座、刚性微机械臂以及两者之间的耦合作用推导出柔性基座机械臂动力学模型。基于机械臂系统的动力学冗余特性,采用零反作用运动控制法使柔性基座与微机械臂之间运动解耦。文中数学模型的仿真结果与商业软件一致,表明了柔性基座机械臂模型的正确性。另外,将零反作用轨迹跟踪控制法成功应用于该模型,使得微机械臂末端在跟踪期望轨迹的同时完全不会激起基座的弹性变形。     

大型空间机械臂关节动力学建模与分析研究

关节是空间机械臂的核心部件,是保证空间机械臂安全、平稳运行的关键。为全面反映大型空间机械臂关节的动力学特性并从细节之处优化关节设计,利用集中参数法建立了综合考虑轮齿柔性、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合误差等非线性因素的细化关节动力学模型。模型中采用一种基于tanh的连续函数对传统分段线性间隙函数进行近似,从而降低了模型的求解难度。研究了各级齿轮精度、关节转速和负载对关节动力学特性的影响。仿真结果表明,三级齿轮的精度变化会影响关节转速波动的振幅并分别影响高、中、低频特性;转速的增加将提高振动频率和幅值;力矩负载的增大会使关节转速波动幅值显著增大,且在满载时,所有的高阶频率都得到明显激励;惯性负载的增大会减小转速波动,并将能量集中在中频上。
     

基于等效质量的太空机械臂多体系统碰撞分析

从等效质量角度出发,针对不同的操作环境,提出多体系统离散碰撞动力学建模及连续碰撞动力学建模方法,并分析碰撞对系统造成的影响。首先,由系统动力学方程及能量方程推导出太空机械臂末端等效质量,在此基础上,针对刚/柔环境,分别建立多体系统离散碰撞动力学模型和连续碰撞动力学模型,并针对七种连续碰撞模型提出选取标准,以便更真实地模拟实际碰撞过程。最后,以典型的太空七自由度机械臂为例开展仿真试验,两种方法的对比结果校验了该算法的正确性。     

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。     

面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制

针对航天器在轨服务任务中涉及的空间近距离操作需求,提出一种机械臂与服务卫星协同控制方法。首先建立了机械臂和服务卫星组合体动力学模型以及服务卫星和目标卫星相对位姿耦合动力学模型。然后采用全局终端滑模控制设计了机械臂轨迹跟踪控制方法,采用PD控制设计了服务卫星相对位姿耦合控制方法,并将机械臂反作用力和力矩作为前馈补偿叠加到服务卫星控制系统中,实现了两者的协同控制。最后通过数值仿真验证了控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够满足空间近距离操作任务对机械臂和服务卫星的控制精度、稳定性和误差收敛时间的要求,具有工程实用性。     

空间机械臂动力学特性的仿真分析研究

在空间机器人系统应用于在轨服务、目标捕获的研究中,多自由度机械臂的动力学动特性分析是其主要困难。针对该问题,可运用D-H参数,构建坐标系统和矢量关系,搭建动力学数学模型,进行多刚体系统运动学和动力学建模的仿真研究分析,并运用SimMechanics做运动学等效和各关节的点到点的位姿解算,及动力学模拟,结合ADAMS做联合仿真对比分析。根据仿真结果,实时解算机械臂各关节以及末端抓捕工具的位姿,并做轨迹规划,以验证真实空间机械臂操作的仿真程度,更好地服务于半物理实验平台。     

不同重力环境下空间机械臂神经自适应鲁棒控制

针对空间机械臂从地面装调到空间应用过程中重力项的变化问题,提出了一种神经网络自适应鲁棒补偿控制策略用于空间机械臂的末端控制,从而实现在地面重力环境下装调好的空间机械臂在空间微重力环境下实现在轨操控任务。通过神经网络在线建模来逼近系统模型中变化的重力项,逼近误差及系统的不确定性通过自适应鲁棒控制器来补偿。该控制策略不依赖于系统的模型,避免了回归矩阵的复杂计算及未知参数的估计,降低了计算量。基于李亚普诺夫理论证明了闭环系统的渐近稳定性。仿真结果表明该控制器对不同重力环境下空间机械臂的末端控制均能达到较高的控制精度,具有重要的理论研究和工程应用价值。     

基于多项式插值的自由漂浮空间机器人轨迹规划粒子群优化算法

针对自由漂浮空间机器人轨迹规划问题,提出一种基于多项式插值与粒子群优化算法相结合的非完整运动规划方法。首先,通过对系统非完整约束条件进行分析,给出了以机械臂关节角耗散能为目标函数的轨迹最优控制算法;并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,将插值多项式的系数作为优化参数,结合粒子群优化算法对关节角轨迹进行优化求解。最后,对本文提出的轨迹规划算法进行数值仿真。仿真结果表明关节角轨迹平滑连续,保证了关节角速度及关节角加速度在初始和终止状态均为零,从而验证了所提方法的有效性和可行性。     

空间机械臂关节失效瞬时力矩突变抑制

针对空间机械臂执行负载操作任务突发关节失效引起的关节负载补偿力矩突变问题,建立了关节负载补偿力矩突变优化模型及求解方法。首先分析关节负载补偿力矩突变原因,以故障瞬间力矩突变量最小为目标,考虑突发关节故障,建立关节负载补偿力矩突变优化模型;其次构造含有抑制系数及静力学可操作度梯度的关节力矩修正项,并构造最优抑制系数函数,求解关节力矩突变优化问题;最后通过仿真对关节负载补偿力矩突变优化方法的正确性和有效性展开验证。结果表明：通过搜索最优抑制系数,突发关节失效引起的关节负载补偿力矩突变可被有效抑制,平均抑制率高达89.26%,且末端操作力精度不受影响,保证了空间机械臂负载操作任务安全可靠完成。     

空间机械臂关节精细动力学模型的建立及关节力矩控制

针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题,建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型,该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度,而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法,并以此建立关节力矩控制系统,利用Runge\|Kutta算法对关节精细动力学模型进行了数值计算。计算结果表明,此关节力矩控制方法约有1.7%的稳态误差,能满足关节力矩控制的需要;基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法有效地解决了提高关节力矩测量精度与保持传感器刚度之间的矛盾。