空间黏附足式爬行机器人的稳定性判据及蠕动步态

面向空间在轨服务任务中的黏附足式爬行机器人应用需求,提出一种通过足端和腹部黏附实现爬行的机器人构型,分析了空间黏附足式爬行机器人的稳定性原理,推导了一种以机器人黏附和脱附力矩平衡为稳定条件的空间黏附足式爬行机器人稳定性判据。在此基础上,分析得出空间黏附足式爬行机器人3+1步态的不稳定性,并规划了一种适用于黏附足式爬行机器人在空间微重力环境下的稳定行走步态,即蠕动步态。最后,通过仿真验证了所提出的空间黏附足式爬行机器人稳定性判据及所规划蠕动步态的有效性。     

空间机器人神经网络自适应滑模目标操控轨迹跟踪控制

针对参数未知的空间目标操控问题,考虑空间机器人负载不确定性、系统动力学不确定性和环境扰动等因素,为实现操作过程的稳定控制及机器人轨迹的有效跟踪,提出一种基于径向基神经网络估计不确定项的自适应增益非奇异终端滑模变结构控制器。首先基于拉格朗日法建立空间机器人的刚体动力学模型。考虑空间机器人基座姿态主动控制模式,使用径向基神经网络对模型中的不确定项进行估计。进而提出基于神经网络估计的非奇异终端滑模控制器,并针对不确定性和扰动的估计误差设计自适应增益,以期实现空间机器人系统轨迹跟踪控制的收敛。仿真校验结果表明所设计的控制方法具有较好的误差收敛速度和控制精度。     

平面型两关节空间机器人的自适应轨迹控制

基于参数线性分离方法，得到了平面型两关节空间机器人线性参数化形式的动力学模型，这种模型非常适合于采用自适应控制方法。控制策略考虑了机器人各关节之间的耦合及机械臂与基座航天器之间的耦合，对航天器姿态的控制和机械臂的控制进行综合，在满足手端跟踪期望轨迹的同时，保证航天器姿态基本不变。控制器由一个PD反馈项和一个补偿动力学不确定性的非线性自适应反馈项构成，能够保证对期望关节轨迹的全局渐进跟踪，提高了空间机器人操作的适应性和安全性。     

自由浮动空间双臂机器人抓持内力的优化控制

运用非线性规划方法，提出了一种本体位置、姿态均不受控的自由浮动空间双臂机器人的内力优化与控制策略。首先根据空间双臂机器人及负载的动力学方程，建立了抓持系统合成动力学方程，进而将机器人各手臂关节广义驱动力矩的范数作为目标函数，内力作为优化变量，采用了序列一次规划法来解决空间机器人的动态内力优化计算问题，并对双臂六自由度空间机器人进行了内力优化控制仿真实验，结果表明了该方法的有效性。     

基于激光测距的月球探测重载六足机器人自主避障控制

月面未知环境下具有高承载力的六足移动机器人是月球探测中不可或缺的装备。六足机器人虽然可以借助足地接触信息和姿态信息在不平坦路面行走,在遇到较小障碍物时可以做出适当的反射动作,但当遇到无法逾越的障碍物时,基于视觉信息实现腿式机器人避障运动是非常重要的。针对电驱动六边形对称分布的六足机器人,基于激光测距仪的信息实现了模拟月壤地面的地形建模,提出基于虚拟机体模型的自主避障策略,获得最优可行方向和运动最短距离,规划了实时避障的机体和足端运动轨迹。实验结果表明,六足机器人可以实时、准确地跟踪避障策略得到实时偏航角度,实现了机器人在未知环境下的自主避障运动,为月球探测重载足式机器人研究奠定了基础。     

基于深度强化学习的复杂地形适应机器人设计与实验

针对行星表面轻量化自主探测任务，基于仿生思想设计了一种仿海胆结构的十二足球形机器人，其具备自主改变构型以贴合复杂地形的能力，可实现无倾覆、高容错的全向运动；基于数据驱动方法，对该机器人设计了一种数据高效的无模型强化学习运动策略，可实现无先验知识的从0到1步态训练以及步态的实物样机快速部署。通过在平面地形和非结构化地形中对其进行仿真实验，验证了经过训练的机器人具备自主运动、适应非结构地形等能力；通过与常用基准策略进行对比，证实了本文提出的运动策略具有训练高效、鲁棒性好的优势；最后通过开发原理样机，开展实物实验验证了仿真环境中所生成的步态在真实物理环境中的动力学可行性。     

空间细胞机器人面向桁架在轨攀爬步态分析

面向空间在轨装配维修过程中的攀爬移动问题,基于空间细胞机器人(CSR)理念,提出连接细胞、转动细胞、末端执行细胞三种基本细胞单元。利用图论和拓扑学原理,在关联矩阵的基础上进行改进得到一种细胞迁移矩阵,直观准确地表达细胞机器人任意构型,以及不同节点之间的组织迁移过程。考虑桁架应用环境和细胞机器人自身的特点,划分出三种广义双杆攀爬工况,能够覆盖所有桁架攀爬任务需求。利用基于旋量理论的指数积公式进行不失一般性运动学分析。基于一致性、重复性以及无干涉原则,针对每种攀爬工况提出相应的攀爬步态,进行数值仿真分析,对比不同步态细胞机器人的关节力矩、能耗以及末端轨迹所占据工作空间等参数。仿真结果对空间机器人在轨攀爬路径规划以及控制方式的研究具有重要理论意义和工程价值。     

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。     

面向空间太阳能电站在轨装配的爬行机器人关键技术

提出一种可在薄膜和桁架表面爬行的足式机器人，以完成对空间太阳能电站由薄膜 桁架模块在轨组装。机器人系统由操作工具搭载平台、压电驱动式多关节腿、微结构修饰附着足等组成。在此基础上，基于仿生理论，对自然界具有高攀爬能力的生物足端微结构进行了分析与仿真，并结合桁架的杆类结构和薄膜的柔性结构的特点，开展了机器人微结构修饰足特性的附着特性研究。利用离散元 多体动力学耦合仿真平台，对机器人在桁架结构和薄膜结构上的爬行过程进行了仿真研究，为爬行机器人的运动控制提供了依据。通过上述研究，验证了利用爬[JP2]行机器人系统实现薄膜 桁架模块在轨操作与组装的方案可行性，为空间太阳能电站在轨装配任务提供了技术储备。[JP]     

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。     

任务空间内空间机器人的复合自适应控制

对于本体姿态受控而位置不受控的空间机器人系统 ,考虑存在参数不确定性 ,本文在任务空间内提出了一种复合自适应控制方法 ,证明了这种自适应方法不但可以保证末端执行器任务空间内位置轨迹跟踪误差的渐近收敛 ,而且还可保证关节空间内角速率偏差及估计误差的渐近收敛。仿真结果验证了算法的有效性     

空间绳系机器人姿态容错控制方法研究

在精确姿态控制阶段,由于反作用轮的故障,空间绳系机器人会出现姿态控制失稳的问题,为此,提出了一种空间绳系机器人姿态容错控制的新方法。该容错控制方法利用时间延迟控制算法,将前一个周期的控制量引入到当前控制律中,估计并补偿由于反作用轮故障引起的当前控制量变化。在推导该容错控制方法的基础上证明了它的稳定性,从反作用轮无故障和有故障两个方面,对利用时间延迟控制算法与利用PD控制算法的控制律进行了仿真比较。仿真结果表明,利用时间延迟控制方法跟踪目标姿态精度高、鲁棒性强;将时间延迟控制方法用于调整反作用轮故障状态下空间绳系机器人姿态具有较强的稳定性。     

载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学特性研究

针对载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人的运动学问题,引入具有非完整特性的载体 姿态无扰约束方程,推导了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵。采用等效 杆的概念,分析了普通状态的自由漂浮空间机器人和载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人可 达工作空间;基于载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵所得到的奇异方程, 研究了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人动力学奇异性。仿真结果验证了普通状态的自由 漂浮空间机器人与载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学问题的差异性。研究结果为载 体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动规划及控制研究奠定了理论基础。
     

空间6R机械臂圆弧轨迹规划及仿真

为控制6R机械臂跟踪圆弧轨迹或有效避开障碍物，基于机器人圆弧轨迹规划方法，对在笛卡尔空间的圆弧运动轨迹规划进行了研究，采用位置插补和姿态插补，使机械臂末端严格按圆弧路径行走，并对末端轨迹和各关节的轨迹进行了仿真。结果表明：机械臂末端运动轨迹平滑，各关节角度变化平缓，运动稳定。     

自由漂浮空间机器人多约束混合整数预测控制

针对空间机器人完成任务时需要躲避障碍物的问题,提出一种自由漂浮空间机器人的混合整数预测控制方法。首先,在模型预测控制方法框架下,机械臂关节的物理限制,躲避障碍物的要求被统一描述为最优控制问题下的不等式约束,可以得到自由漂浮空间机器人具有线性二次规划形式的最优控制律。其次,基于命题逻辑建立控制问题中各约束的优先级,保证在最大程度地满足约束的情形下得到控制问题的解,有效弥补了模型预测控制方法用于空间机器人控制时,多约束可能导致最优控制问题不可行的不足。最后,仿真结果校验了所设计控制律的有效性。     

缓冲/行走一体化着陆器运动学研究与步态规划

针对未来深空探测领域载人登陆、星表物资转运和基地建设等任务需求,提出了一种缓冲/行走一体化六足着陆器,并进行了步态规划和仿真校验。首先介绍了着陆器构型和驱动/吸能集成式缓冲器功能实现;其次,建立了UP+2UPS三自由度悬臂式腿足机构运动学模型,推导了以UP为主运动链的逆运动学,以及由UP主链旋转运动向2UPS支链伸缩运动的映射,并分析了其工作空间;第三,设计了行走与转弯步态,推导了足端迈步轨迹与各主动驱动关节伸缩轨迹之间的对应关系;最后,建立了该着陆器的虚拟样机模型,校验了腿足机构运动平稳性和着陆器步态行走稳定性。结果表明：所提出的着陆器腿足机构运动平稳,行走过程中本体无较大起伏和偏移、步态稳定裕度高,可为未来开展非确知复杂星表环境下的稳定着陆、移动探测、物资运输、基地建设等任务提供一种可行的装备方案。     

多臂空间机器人的视觉伺服与协调控制

针对多臂空间机器人自主目标抓捕任务，首先建立多臂空间机器人的运动模型和其与目标的相对运动模型，采用Kane方法建立多臂空间机器人的动力学模型；其次，研究基于视觉伺服的机械臂在线轨迹规划算法，并引入零反作用机动，消除机械臂运动对平台姿态的扰动；再次，在不使用零反作用机动功能时，分别使用基于角动量前馈补偿的协调控制算法和逆动力学方法设计了协调控制器，在机械臂运动时保持平台姿态和相对目标的位置。最后，开发了基于Matlab的仿真软件MASS（多臂空间机器人仿真），仿真结果校验了上述方法的有效性。     

空间连续型机器人位姿与构型的能量整形控制

针对空间连续型机器人(SCR)位置和姿态机动、连续型机械臂变形控制以及系统受到外界干扰的问题,基于连接与阻尼配置-无源性控制(IDA PBC)方法设计了控制器。通过能量整形得到空间连续型机器人期望的能量函数,再对系统注入阻尼使其渐近稳定。利用非线性干扰观测器估计系统受到的干扰,并对外界干扰进行补偿。仿真结果表明：设计的控制器可以使空间连续型机器人机动到指定的位置和姿态,同时控制连续型机械臂变形为期望的构型,并且具有主动抗干扰的能力。通过选择合适的能量整形系数和阻尼注入系数,可使系统以期望的动态性能到达指定的平衡点。     

空间机器人抓捕目标后动力学参数辨识研究

针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。     

自由浮动冗余度空间机器人的混沌识别与控制

建立空间冗余度机器人基于关节空间的PD控制下系统运动学方程,推导了系统的广义雅克比矩阵,指出空间机器人和地面机器人在运动学上的不同.以空间三自由度机器人为例,应用混沌数值分析方法中的相图法,Poincare截面法和最大Lyapunov指数法对上述模型进行了计算机仿真.研究发现,不同的PD控制参数和末端执行器期望轨线,均能导致系统的混沌运动.对以上混沌系统设计状态延迟反馈控制器,仿真研究表明,在适当参数下系统由复杂的混沌运动转变为规则的周期运动.该研究为解决空间冗余度机器人关节"漂移"问题提供了新方法.