碰撞触发式非合作目标对接捕获机构设计

针对非合作目标航天器对接与捕获,设计了一种新型的对接机构.根据非合作目标不配合对接过程,且一直处于运动状态的特点,进行了概念设计.采用了自主的、依靠碰撞触发瞬时触发的对接模式.基于对机构动力学建模分析,用Adams解算器完成了对接过程的数学仿真,验证了机构能有效进行对非合作目标的自主捕获,确定了对接机构的正常工作相对速度范围.     

线牵连续型机械臂运动学分析

以狭小作业空间环境为应用背景,设计了一款线驱动连续型机械臂,并对此机械臂的单段关节和三段关节分别进行了正逆运动学分析。分析了驱动空间、关节空间与操作空间三者之间的关系,对这三种空间映射关系的分析即为连续型机械臂的正、逆运动学分析。分析了多关节段之间的运动学耦合关系,并在此基础上分析了多关节段的逆运动学问题,提出了求取逆运动学解的数值算法。最后在Matlab环境中分别对连续型机械臂单关节段和多关节段的正逆运动学算法进行了仿真验证,实验结果验证了所提算法的可行性和有效性。     

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。     

一种模块化微小型卫星对接机构建模仿真

面向微小卫星在轨服务的连接分离技术的需求,针对一种模块化微小型卫星对接机构,分析其机构原理,推导了机构的运动方程,并利用MATLAB验证机构的运动学模型的正确性,结合仿真定量分析机构可能出现的干涉问题,给出了不干涉条件。为研制用于模块化微小型卫星的对接机构提供一种运动学建模和仿真分析的 思路 。     

空间对接机构技术综述

对空间对接机构及其技术进行了综述。将空间对接机构分为载人大型对接机构和非密封小型对接机构两大类,阐述了空间对接机构的物资补给与人员轮换、大型航天器或平台在轨装配、航天器在轨服务,以及探测器飞行过程构型优化等主要用途。将空间对接技术划为早期探索、实用、发展成熟和深入发展4个阶段。归纳了主要空间对接机构的特点。分析了空间对接技术中的总体设计、关键部件研制、对接力学仿真、对接机构试验等难点。回顾了我国空间对接技术的发展历程,以及突破的总体技术方案、捕获与缓冲设计、连接设计,以及其它设计要素等关键技术。给出了我国空间对接机构应用取得的重大成就。介绍了国外载人弱撞击式对接机构、停靠性对接机构和卫星对接机构等新型空间对接机构的研究背景、进展和涉及的关键技术。提出了未来我国空间对接技术发展路线,建议开展弱撞击对接系统、卫星对接机构的研究,并将合作目标对接技术向非合作目标捕获方向拓展。     

一种面向空间非合作目标的强化学习多臂协同俘获策略研究

针对空间非合作目标清除任务中的目标适应性以及俘获动作规划复杂性等问题,提出了一种基于强化学习方法并结合“多臂分组协同”机制的包络俘获策略。首先构建了多臂俘获机构的物理模型和运动学模型,之后利用SAC(soft actor-critic)算法并引入前演训练（PT）设计了强化学习控制器,接着基于“多臂分组协同”奖励机制设计奖励函数以训练得到最优俘获动作。为了验证俘获策略对单目标作业的高效性和对多目标作业的高适应性,对各种目标分别进行仿真实验。仿真结果表明：所得的俘获策略可以对多种构型的目标实现高效、高适应地俘获。     

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。     

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%。     

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。     

空间大型结构体组装接口设计及装配性能分析

为满足超大型(公里级)空间结构在轨组装的需求,设计了一种全新的空间大型结构体组装接口并对其装配性能进行了详细的分析。首先,详细设计了一种纯机械式双锁定组装接口。其次,通过建立接口运动学模型,对组装接口的容差性能进行了分析,得出 X 方向容差为14.25 mm, Z 方向容差为15.84 mm,绕 X,Y,Z 三个轴的角度容差分别为5.65°、5.51°和5.34°。最后,对对接接口进行了ADAMS仿真分析,验证了容差分析的正确性,得到了对接机构接触力与静摩擦系数、机械臂推力、碰撞锥角之间的非线性影响关系,为空间对接机构的设计奠定了基础。