一种面向在轨服务的空间遥操作人机交互方法

为了解决人在遥操作回路中,人与操作目标时空隔离、缺乏环境信息和天地回路大时延等实际问题,以及减少空间机器人缺乏自主智能性和操作者手抖颤等不利因素,针对空间在轨服务操作交互问题,提出一种基于增强虚拟安全通道(AVSC)的分层辅助遥操作(LAT)方法。首先,设计组合体增强虚拟安全通道,通过给主端操作者施加虚拟引导力辅助完成操作任务,与徒手操作相比,操作时间短、操作平稳;其次,设计分层辅助遥操作系统,通过获取空间机器人末端与期望轨迹上最近点之间的距离,在安全通道内划分不同的虚拟力场,辅助操作者更加灵活地操作。演示实验表明,该方法利用力触觉和视觉信息,引导操作者控制空间机器人末端运动至期望位置,可以有效地提高操作精度、减轻操作者心理压力和减少操作时间。     

空间双臂机器人运动学及动力学分析与建模研究

针对空间双臂机器人运动学和动力学建模,对失重状态下空间机器人的运动学分析与建模进行了研究。给出了双臂机器人左右臂的DH坐标及参数,建立了正运动学的计算公式,基于臂形角的方法,给出了更高效的空间机器人冗余单臂的解析形式逆解求解方法。分析了空间双臂机器人全部工作状态,引入二元判定系数归纳得到了双臂独立运动、双臂协同操作、闭链本体漂浮、开链本体漂浮4种四种机器人工作状态,并基于拉格朗日方程得到了4种不同工作状态下的动力学模型。通过对空间双臂机器人运动学及动力学进行分析与建模,为空间双臂机器人的设计与研究提供理论基础。     

双臂空间机器人可操作度分析及其构型优化

利用传统的操作度概念,分析多臂空间机器人的可操作度,特别是基座和辅助臂的耦合效应对任务机械臂的操作度的影响。进而利用基座姿态最小扰动和可操作度指标对多臂机器人机械臂的构型进行优化。最后对平面双臂空间机器人进行数值仿真,并分析耦合效应对可操作度的影响以及在多臂构型优化中的应用。仿真结果表明本文的研究方法及结果可指导在轨服务中的近距离双臂协调交会、软对接和抓捕操作,具有较强的工程应用价值。     

基于虚拟夹具的交互式空间机器人遥操作实验

预测仿真技术是目前消除大时延对遥操作影响的主要方法。在操作者控制虚拟机械臂与仿真环境中的物体接触之前,仅有的视觉信息不足以提供充分的临场感信息,操作者无法进行安全有效的操作;由于肌肉颤抖等原因导致徒手控制的精度较低,操作者无法进行精确的操作。针对这两个问题,使用虚拟夹具技术对操作者的动作进行限制和引导。实验结果表明,在虚拟夹具的辅助下,可以有效提高操作者的临场感,使操作者快速准确完成遥操作任务。
     

空间站机器人最小振动操作动力学控制

提出两种空间站机器人最小振动操作动力学方法。一种是利用空间站灵活操作臂的运动学“自运动”快速消除空间机器人大型柔性机械臂的残余振动，同时使灵活操作臂在工作时不产生使柔性大臂变形和振动的激振力。第二种方法是利用灵活操作臂与空间站和柔性大臂之间的动力学耦合零空间运动进行空间站机器人的无振动操作。推导出空间机器人系统的动力学方程，得到了柔性大臂和灵活操作臂间的作用力与机器人运动之间的关系，基于渐进稳定的控制方法实现机器人的控制，以安装在弹性基础上的平面四自由度机器人进行了仿真验证。     

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。     

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。     

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。     

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。     

空间机器人的遥操作

本文分析了空间机器人遥操作的特点，时延对空间机器人遥操作的影响，总结了空间机器人遥操作的指令模式和控制模式，展望了空间机器人遥操作的发展前景。     

时延下空间遥操作机器人系统工作模式研究

工作在人机交互方式下的遥操作机器人是实现空间作业的有力手段。首先介绍了空间遥操作机器人系统的构成与工作原理，然后提出了基于临场感遥控技术、虚拟现实技术与自主控制技术相结合的多种工作模式，用于实现在不同条件下时延空间遥操作机器人系统的作业任务，并讨论了工作模式选择的方法。最后经模拟实验系统验证了所提出的工作模式的有效性。     

自由浮动空间双臂机器人的鲁棒协调控制

研究自由浮动空间双臂机器人在本体位置、姿态均不加控制时,抓取物体运动情况下的动力学协调控制。根据空间双臂机器人抓取系统的闭链约束关系,推导出广义雅可比矩阵,针对抓取系统动力学模型的不确定性,提出一种鲁棒协调控制方法,来控制被抓物体的运动,使被抓物体的运动轨迹跟踪期望的运动轨迹,并保证内力跟踪误差的有界性。通过对自由浮动空间平面双臂机器人进行鲁棒协调控制仿真实验,结果表明了该方法的有效性。     

具有力觉临场感的主从遥控机器人系统的双向控制

本文研究借助力觉临场感技术实现主从机器人遥操作的控制理论和设计方法，基于对控制系统的动力学分析，在力和运动的双向控制中采用力反射伺服型控制方案，实验结果表明了该方案的可行性，显示了在非结构性环境下临场感在增强人机交互能力方面的优越性。     

一种基于切换控制律的机器人双边遥操作方法

针对变时延下多自由度机器人在任务空间的遥操作问题,为在保证时延稳定性的同时提高其透明性和跟踪性,在一种比例微分+阻尼的任务空间双边控制器基础上,加入变增益切换控制律。结合性能需求,为不同操作模式设计合适的控制增益。在切换律中引入临界模态,保证系统在碰撞发生时切换控制的稳定性。利用李雅普诺夫理论证明系统在各模态下以及切换过程中的稳定性。通过对一个典型任务的仿真,校验该方法的有效性;同时,几组对比仿真试验也展示了该方法在稳定性和操作性上的优势。     

基于递推差分进化算法的空间机器人参数辨识

针对空间机器人抓取未知目标时的特性参数以及关节摩擦系数的辨识和在线修正问题,提出一种基于递推差分进化算法的实时参数辨识方法。首先采用静态连续摩擦模型描述机器人的关节摩擦特性,并建立两关节空间机器人的非线性动力学模型,然后基于差分进化算法和递推最大似然估计法推导出递推差分进化算法,并用于空间机器人的参数辨识,最后仿真校验了该辨识方法的有效性。仿真结果表明,该算法的辨识精度优于遗传算法和最小二乘法,辨识速度较快,能满足遥操作的要求,且对于动态信息有较好的跟随性。     

考虑重力影响的柔性关节空间机械臂任务空间神经网络控制

针对柔性关节空间机器人地面模拟及空间应用受到重力或微重力不确定项干扰的问题,提出一种基于奇异摄动的任务空间神经网络自适应控制算法。首先建立了考虑重力影响的柔性关节空间机器人的模型,通过奇异摄动方法将系统降阶处理后,转换到任务空间进行控制器的设计,利用神经网络自适应算法对系统的不确定性进行逼近,并针对逼近误差设计了鲁棒控制器补偿,最后将控制量转换为关节空间的控制力矩。对系统进行了稳定性分析和仿真校验,结果表明,控制器可以解决柔性带来的系统高频谐振和失稳问题,并能有效抵抗系统扰动,具有很好的跟踪性能。