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。     

空间机械臂抓取目标动力学与寻的制导控制

针对安装有两连杆机械臂的航天器对地球圆轨道上的空间目标已形成自由绕飞（即满足齐次C-W方程）的情形,研究通过机械臂抓取该目标的系统动力学建模与制导控制问题。在目标固连旋转参考系下,运用非惯性系下的拉格朗日分析力学,建立了两连杆机械臂系统动力学方程。忽略惯性耦合影响,对模型进行了合理简化,在此基础上设计了机械臂末端执行器即机械手抓取目标的寻的制导控制规律。然后代入原始复杂模型,进行数值仿真校验。结果表明,在机械臂载体自由绕飞空间目标的条件下,机械手能够准确地抓住目标。     

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。     

空间机械臂系统轨迹规划仿真分析

在轨组装系统处于空间微重力环境下,其机械臂的动力学模型有别于地面环境下的。文章以空间三自由度机械臂为研究对象,采用适用于空间环境的拉格朗日方程,推导机械臂系统的动力学方程,仿真得到不同作用力矩下各关节的动力学响应,分析并校验动力学模型的准确性。仿真结果表明:所建动力学模型准确可靠,与实际相符,且直观表述了各个转角间因关节力矩不同所产生的相互耦合情况。文章还在常规的机械臂轨迹规划方法基础上,提出一种新的轨迹逼近策略,并对比两种不同轨迹逼近策略的优劣,证明本文方法在效率和精度上更优,且可确保按照期望的路径执行空间环境下的目标捕捉任务。     

空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识

根据动量守恒定理,研究了单臂自由飘浮空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识问题。已有文献中基于动量守恒原理进行的参数辨识只适用于系统线动量和角动量为零的情况,当两者不为零时无法得到正确的辨识结果。为解决此问题,本文首先在惯性系而非本体系下推导得到了机械臂抓取未知目标后的系统线动量和角动量,保证了其各分量的守恒特性。然后基于此特性,通过在轨测量两个时刻机器人本体的线速度、角速度以及机械臂各关节的角速度和转角信息,建立了含有未知目标质量特性参数的动量增量方程。最后根据三组测量信息,从联立的动量增量方程组中求解得到未知目标的质量特性参数。数值仿真表明,此方法在系统线动量和角动量为零和不为零两种情况下都能实现高精度的参数辨识,同时还避免了方程求解的奇异问题。     

多关节轻型机械臂的设计研究

根据现有空间机械臂的结构特点,参照几种轻型机械臂的设计,设计了一种两自由度机械臂运动模块,并根据此模块研制了一台6自由度空间机械臂。运动模块由两个相邻关节轴线正交的关节组成,关节内部没有驱动器。机械臂内有一根高速主轴,为各个串联关节提供动能。机械臂控制系统采用上下位机方式,上位机根据虚拟场景仿真的运动轨迹发出控制指令给关节控制器,下位机根据关节状态表控制离合器组输入关节的能量。为确定机械臂在工作过程中的强度和稳定性,建立了机械臂的有限元模型,分析了其工作态的应力情况和动态特性。仿真结果表明,机械臂在工作态有足够的强度,在抓取的过程中,机械臂固有频率远离激励源的激励频率,无共振现象。通过多关节联动,机械臂可实现多种组合姿态,适用于在轨维修、加注等复杂空间任务。     

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。     

载人航天器柔性机械臂的动力学建模方法

空间机械臂在载人航天活动中有着迫切的应用需求。航天器尺寸、质量等因素的限制使得空间机械臂具有大柔性的特点。文章结合空间机械臂应用环境的特殊性,论述了空间柔性机械臂多体动力学和关节的动力学建模方法,分析比较了不同建模方法的特点。为了满足未来空间机械臂在航天器工程应用的要求,文章指出,空间柔性机械臂宜采用混合坐标法描述臂杆刚性运动与柔性变形的耦合;开展关节精细动力学研究,宜将重点放在齿轮传动系统的低速级上。     

带空间机械臂的充液航天器姿态动力学研究

本文研究空间机械臂运动对充液航天器姿态的影响，讨论了利用机械臂调整充液航天器姿态问题、以及机械臂操作与航天器姿态稳定的协调问题。研究表明：影响充液航天器姿态的因素除了机械臂运动的路径，还有机械臂运动的时间、机械臂转角的变化规律、液体的粘性、质量和惯性张量等。其中机械臂运动时间的影响比较明显，而且机械臂运动得越慢对航天器姿态的影响越大。合理地选择机械臂操作时间和机械臂转角变化规律，可以实现机械臂操作     

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。     

空间碎片软捕获姿轨控模型构建与仿真

为构建利用柔性机械臂捕获空间碎片的系统仿真模型,首先分析梳理空间碎片捕获典型任务流程,包括轨道转移、位置保持、路径规划、动量稳定控制等阶段;然后针对任务流程分别搭建基于Simu Link的路径规划、动量缓冲控制、姿态控制、动力学和轨道仿真等子系统;各个子系统之间以TCP/IP的方式进行数据交互,最终完成空间碎片软捕获任务姿轨控仿真系统的构建。     

Strategy for capturing of a tumbling space debris

In general space debris objects do not possess much convenient features and are non-cooperative. In such cases, since the conditions for capture are not favorable, tracking errors will lead to loading, and momentum transfer will occur during the capture process.In most cases, detailed mass and inertial characteristics of the target are unknown, either because design details are unavailable or due to changes as a result of damage sustained when failure occurred or gradual degradation over the years, and this makes impedance matching of the capture arm force control system difficult.This led to us to devise a “joint virtual depth control” algorithm for robot arm control, which brakes the rotation of a target with unknown inertia. This paper deals with a removal work strategy and control method for capturing and braking a tumbling, non-cooperative target space debris.We propose a new brush type contactor as end-effecter of a robot arm for reducing the rotational rate of the target debris. As a means for relieving the loads generated during target tapping, in addition to joint compliance control we propose a new control method that controls the arm tip force according to a contact force profile.     

基于空间机械臂的柔顺抓捕技术研究综述

空间机械臂是广泛应用于空间探索与实验的重要机电设备,柔顺抓捕技术为其执行主要任务的基础。空间机械臂柔顺抓捕技术主要分为结构设计与控制方法两个方面。首先介绍了目前已成功应用的空间机械臂末端执行器系统,分析了其结构与抓捕原理特点,说明了相应优势与不足,并给出结构优化的合理建议。然后介绍柔顺抓捕的控制方法在空间任务以及部分非空间任务中的成功应用,比较了其特性与优劣,归纳出优化的空间机械臂柔顺抓捕控制策略。本研究期望为空间机械臂柔顺抓捕技术的研究提供思路。     

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。     

不同重力环境下间隙铰链关节磨损分析

为研究不同重力环境对空间机构间隙铰链关节磨损的影响,将机械系统摩擦学行为和动力学行为相耦合,建立了磨损与动力学耦合分析模型和数值计算框架。首先采用非线性弹簧阻尼模型作为间隙处接触碰撞力的计算模型,同时采用Coulomb 法来计算运动副间隙处的摩擦力,进而建立了含间隙的机构动力学模型;然后通过基于Archard磨损模型二次开发的ANSYS程序来计算磨损,其中运用节点位移的方法来描述磨损过程。结果表明：当间隙关节转速较低时,重力对于关节轴承的磨损分布和磨损程度的影响很大,轴承出现集中磨损现象,磨损间隙急剧增加,严重影响机构的性能和精度;随着关节转速升高,重力对间隙关节磨损的影响逐渐减弱,轴承的磨损分布、磨损程度和关节最大磨损间隙的增长率将逐渐与微重力环境下趋同。     

Dynamics analysis of space robot manipulator with joint clearance

A computational methodology for analysis of space robot manipulator systems, considering the effects of the clearances in the joint, is presented. The contact dynamics model in joint clearance is established using the nonlinear equivalent spring-damp model and the friction effect is considered using the Coulomb friction model. The space robot system dynamic equation of manipulator with clearance is established. Then the dynamics simulation is presented and the dynamics characteristics of robot manipulator with clearance are analyzed. This work provides a practical method to analyze the dynamics characteristics of space robot manipulator with joint clearance and improves the engineering application. The computational methodology can predict the effects of clearance on space robot manipulator preferably, which is the basis of space robot manipulator design, precision analysis and ground test.     

On the dynamics of a novel manipulator with slewing and deployable links

Using a novel space platform-based manipulator with slewing and deployable links, the paper addresses two issues of considerable importance: (a) How important is it to model flexibility of the system? (b) How many modes are needed to adequately represent the elastic character? Results suggest that the fundamental mode is able to capture physics of the response quite accurately. Due to its massive character, the platform dynamics is virtually unaffected, even by severe maneuvers of the manipulator. Hence, treating the platform as rigid would save the computational cost without affecting the accuracy. Although the link flexibility does affect the manipulator's tip vibration, the joint and platform vibrations remain negligible. The revolute joint flexibility appears to be an important parameter affecting both the joint as well as tip responses. The information should prove useful in the design of this new class of manipulators.     

目标捕获后航天器组合体的角动量转移与抑振规划

针对失稳目标捕获后航天器组合体的位姿调整与稳定问题,提出一种组合体角动量转移与振动抑制复合规划方法。首先建立了同时考虑了空间机械臂、目标卫星太阳翼、服务卫星太阳翼等柔性构件的航天器组合体动力学模型。然后提出角动量转移优化方法,规划机械臂最终构型,保证组合体相对稳定后的角速度最小;基于粒子群算法设计了机械臂最优抑振轨迹规划方法,抑制角动量转移过程中的机械臂和太阳翼的柔性振动。最后通过数值仿真验证了规划方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够有效实现组合体的角动量转移,并显著降低组合体的柔性振动,具有工程实用性。