一种基于位置阻抗的机械臂抓捕飞行器控制方法

针对机械臂抓捕飞行器过程碰撞冲击大或发生大构型变化易碰撞问题,提出并实现了一种基于位置闭环的阻抗控制方法,通过对机械臂末端等效刚度控制实现机械臂抓捕目标过程的柔顺控制,基于建立的系统全数字仿真模型对控制效果进行了仿真验证,结果表明阻抗控制软抓捕与位置保持硬抓捕相比,可大幅减小机械臂抓捕目标过程末端与目标间的碰撞冲击力,并且能控制机械臂构型在抓捕中不产生过大变化从而避免碰撞。     

自由翻滚故障卫星外包络抓捕及抓捕路径优化

自由翻滚故障卫星抓捕是航天器在轨服务及空间碎片清理的基础。由于难以确定固定抓捕点及目标运动参数不确定,传统机械臂抓捕方法无法适用类似自由翻滚故障卫星的空间非合作目标。提出一种具有鲁棒性的外包络抓捕方法及抓捕路径优化方案。外包络抓捕方式能够适用于自由翻滚故障卫星抓捕问题,其特点在于,第一,由抓捕末端执行器构成的抓捕包络可以包络空间目标,约束其运动并最终实现抓捕,因此不需要固定抓捕点;第二,末端执行器构成的抓捕包络,能够约束故障卫星运动,而两者之间的摩擦可以有效消除两者之间的相对运动最终成功抓捕翻滚目标。进一步,针对外包络抓捕方法,提出了一种最小燃料消耗及最小抓捕扰动的机械臂抓捕路径。为验证外包络抓捕方法的有效性,构建旋转立方星抓捕地面实验,并利用数值仿真验证外包络抓捕机械臂最优路径规划,仿真结果验证了所提出方法的有效性。     

空间双臂机器人抓捕非合作目标后的协调稳定控制

由于非合作目标惯性参数的不确定性以及双臂操控目标的拉扯/挤压作用,空间双臂机器人稳定非合作目标的过程中机械臂末端与目标可能产生过大的接触力与力矩,从而可能对目标造成损伤.针对该问题,提出了一种协调稳定控制方法,通过协调双臂期望运动实现双臂末端与目标交互的柔顺,降低稳定过程中产生的接触力与力矩.首先,利用目标惯性参数的估...     

基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究

针对7自由度空间机械臂在目标捕获过程中的应用,根据机械臂末端执行器与目标适配器导向插入过程中存在接触碰撞的特点,提出一种阻抗控制方法,将机械臂末端测量的反作用力和力矩转化为位置增量,从而提高机械臂的主动柔性。并建立MATLAB/ADAMS联合仿真模型进行仿真验证,利用ADAMS的碰撞模型模拟接触捕获时的力学过程。仿真结果表明,本文提出的阻抗控制方法可以减小机械臂末端作用力和关节的驱动力矩,补偿了机械臂位置控制的误差,从而保证了机械臂对目标的捕获精度。     

空间多功能在轨维护机器人系统及其末端执行器设计

空间机器人是空间在轨服务的一种重要工具。以合作目标与非合作目标的在轨维护为目的,通过对现有空间机器人研究现状的调研和分析,提出了基于末端工具可快换的多功能在轨维护机器人系统,并提出多种末端执行器设计方案。其中三指-三瓣式末端执行器作为末端工具快换装置,不仅具有机械接口捕获对接的功能,还具有电力/信号传输功能,以及机械臂动力传输功能;钢丝绳缠绕式末端执行器具有优越的容差和软捕获性能,适合用于实现对安装有捕获接口的合作目标以及非合作目标卫星发动机喷管的捕获;而欠驱动三指末端执行器具有良好的待捕获目标物体形状自适应功能以及软捕获功能,因此可用于对空间形状不规则的太空垃圾等目标进行非合作目标捕获。通过对多功能在轨维护机器人系统及其末端工具快换过程以及末端执行器对目标捕获操作的研究,所提出的基于末端工具快换的多功能在轨维护机器人系统有较好的应用前景。     

空间非合作目标惯性参数的Adaline网络辨识方法

空间在轨操作中,航天器在对空间非合作目标的抓捕行动常常导致航天器本体的姿态和空间轨迹发生变化。为克服空间非合作目标对航天器本体动力学、运动学的影响,使控制系统做出精准及时的姿控策略调整,确保航天器正常在轨工作和轨迹姿态的高精度,需对抓捕的非合作目标的惯性参数进行辨识。针对传统辨识方法依赖广义逆求解导致的辨识过程运算量大,且数值容易产生剧烈振荡,造成辨识结果不稳定等不足,采用基于归一化最小均方（NLMS）准则的Adaline神经网络方法进行空间非合作目标惯性参数的辨识。首先,基于动量守恒理论建立抓捕后的航天器-机械臂-空间非合作目标系统模型;然后将辨识方程的系数矩阵作为网络的输入和输出,空间非合作目标的惯性参数作为神经网络的训练权重,基于迭代步长可变的NLMS准则实现对目标惯量参数的快速、准确辨识;最后,在构造的ADAMS/MATLAB联合仿真平台上进行了验证。仿真结果表明,基于NLMS准则的Adaline神经网络是一种快速、准确辨识目标惯量参数的有效方法。     

空间机械臂绳索式末端执行器柔顺抓捕策略研究

针对机械臂抓捕非合作目标过程碰撞冲击大易造成基体偏转或目标逃逸的问题,提出并实现了快速接近-慢速接触-速度跟踪(FA-SC-VT)的末端捕获策略,并基于建立的系统全数字仿真模型对捕获策略进行了仿真验证,结果表明FA-SC-VT捕获策略与匀速捕获策略相比,可大幅减小机械臂捕获目标过程末端产生的冲击力,并可有效解决目标捕获过程中的逃逸问题。     

基于碰撞检测的自适应阻抗控制机械臂系统(英文)

针对柔性关节机械臂,本文阐述了机械臂能够像人手一样安全操作的方法。3种方法相结合,以便机械臂能够柔顺的接触操作对象并控制接触力在预设定范围内。首先,提出采用虚拟分解法的笛卡尔阻抗控制用来实现机械臂在笛卡尔空间的柔顺控制。其次,引入自适应关节动态补偿器使得机械臂能够实施更为精确的控制。最后,设计了基于笛卡尔力反馈的实时路径规划,从而使机械臂能够检测碰撞并控制接触力。基于碰撞检测的自适应阻抗控制器能够简化其在机械臂上的实施,保持机械臂对环境的友好操作,并且严格满足系统的全局稳定性。实验在4自由度的卫星在轨自维护机械臂平台得以验证。碰撞检测实验和轨迹跟踪实验结果证明了所提出方法的有效性和可行性。     

空间机械臂技术综述及展望

介绍了国外空间机械臂在轨技术验证与工程应用的概况,从任务类型、构型配置、末端执行器与操作方式方面分析了空间机械臂技术的发展趋势。综述了空间机械臂的任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证7项关键技术。介绍了中国试验七号与天宫二号空间机械臂在轨验证情况,重点介绍了正在研制的中国空间站机械臂基本方案。最后,总结了目前空间机械臂技术存在的问题,并对中国未来空间机械臂技术发展提出了建议。     

基于特征模型的失效航天器消旋控制

失效航天器一般有复杂的运动和较大的角速度,采用机械臂直接抓捕目标容易导致非预期碰撞,如果先采用接触式消旋操作降低目标角速度,会大大降低服务卫星抓捕目标的难度。针对空间翻滚非合作目标的接触式消旋控制存在接触动力学模型不确定性的问题,提出了一种基于特征模型的自适应控制方法。首先通过接触式消旋的物理机理分析,建立消旋系统动力学模型;进一步在动力学特性分析基础上构建描述接触碰撞后目标角速度的特征模型,并确定模型参数范围;然后基于该模型设计黄金分割自适应控制律。仿真结果表明,该方法有效克服了消旋过程中接触碰撞模型存在的不确定性,并且消旋速度快且消旋后的残余角速度小。     

空间机器人抓捕目标后的载荷分配

针对多臂空间机器人以软指接触形式抓捕目标后的情形,提出了一种综合考虑摩擦约束及机械臂能力约束的目标期望合外力的载荷分配方法。首先,建立空间机器人系统与目标的动力学方程,作为载荷分配问题的基础。然后,在地面机器人相关研究的基础上,建立机械臂末端与目标表面的软指接触模型,并建立二者之间的运动约束关系。为简化优化计算,将摩擦锥约束线性化,并建立考虑关节扭矩限制的机械臂能力约束,从而将抓捕力优化的非线性规划问题转化为线性规划问题。最后,采用双臂空间机器人模型进行数值仿真,表明所提方法针对目标各种形式运动进行载荷分配的有效性。     

空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

空间机械臂精度分析研究与软件实现

空间机械臂末端位姿精度影响因素众多,其中装配间隙、控制器误差以及环境因素等引起的随机误差难以消除,严重限制了空间机械臂在高精度任务场合的应用.为深入研究大型空间站机械臂末端位姿精度,采用修正D-H运动学参数建模理论,考虑几何参数及空间环境对机械臂末端位姿精度影响,提出了一种适用不同任务构型工况的冗余操作空间机械臂精度快...     

面向在轨服务任务的气囊型软体机械臂运动学建模与分析

针对软体机械臂具有质量轻、自由度多、适应复杂非结构环境、大范围变形等独特优势,提出一种气压驱动式软体机械臂。利用3节中空的波纹管并联形成软体驱动器,进而3节软体驱动器串联形成软体机械臂,通过控制不同波纹管内的气压输入实现机械臂复杂空间运动。基于局部弹性变形假设建立了机械臂运动学模型,根据气囊输入压力和机械臂物性参数,可以计算得到机械臂运动轨迹,并仿真分析了软体机械臂末端运动包络的尺寸和形状特征。建立的气囊型软体机械臂运动学模型及分析结果为机械臂设计和运动控制提供了理论基础。     

空间非合作目标多指包络抓捕路径设计

针对现有空间非合作目标抓捕中存在无固定抓捕点以及待抓捕目标存在动态性等问题,提出了一种"主-从"式多指包络抓捕路径设计算法。首先,为了降低多指包络构型设计中的自由度,将多指机构分为一根主手指和其余从手指两类。然后,为了实现对具有动态性的空间非合作目标的抓捕,采用误差跟踪控制方法使主手指的基关节与包络点之间的运动保持同步。接着,引入单向距离的概念衡量主手指构型和包络边相似度,并利用快速搜索随机树算法寻找使得单向距离最小的主手指关节角取值。进一步,根据多指机构的结构模型,确定其余从手指的构型。最后,根据包络条件选择能够约束住空间非合作目标运动的有效包络构型。通过对可以简化为扁平型的空间非合作目标和一般性三维空间非合作目标这两类目标的包络抓捕仿真可以得出,所设计的算法可适用于一般性空间非合作目标的包络抓捕,同时计算复杂度也大大降低。     

基于机器人柔性毛刷的空间翻滚目标消旋

设计了一种柔性减速刷消旋机构，将其安装于七自由度机械臂的末端，通过与翻滚目标帆板之间的接触碰撞进行消旋。利用绝对节点坐标法推导了柔性减速刷的动力学模型，并对其接触碰撞进行分析。针对自由漂浮空间机器人动力学建模和基座姿态的控制进行了研究，采用基于计算力矩法的滑模控制策略，对末端参数不确定的七自由度机械臂进行控制。滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏等特点，确保了系统的全局鲁棒性和稳定性。有利于节省消旋时间，提高消旋效率。通过PD控制和滑模控制消旋仿真验证，该消旋策略能够成功消除初始旋转速度，消旋程度达90%以上，具有可行性与有效性。     

惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。     

基于阻抗内环的新型力外环控制策略

对于空间装配等与环境进行交互的任务,迫切要求空间机器人具有力控制的能力。利用机器人的关节力矩传感器,提出了一种新型的基于阻抗内环的力外环控制策略。在该方法中,内环采用阻抗控制代替传统的位置控制。阻抗控制内环使机器人具有一定的柔顺性,力外环通过期望力与实际力的误差对内环的参考轨迹进行修正,实现了机器人的力跟踪控制。另外,为了验证利用关节力矩传感器间接测量末端接触力的效果,机器人末端安装了一个高精度的JR3腕力传感器用来直接测量实际接触力。在基于位置内环和阻抗内环的力外环控制方式下,进行了机器人接触刚度变化较大环境（海绵、泡沫和铁块）的力跟踪实验。实验表明,当环境刚度变化较大时,相对于传统的力外环方法,本文提出的方法能够实现稳定的力跟踪性能。尤其对于铁块这种刚度很大的环境,该方法的有效性更加明显。     

柔性臂空间机器人的一类运动学方程及轨迹规划

用柔性机械臂连杆末端的弹性变形以及变形角度来表示空间机器人柔性臂的弹性运动变量,克服了用无穷维振动模态变量来表示弹性变形给系统运动学建模带来的困难;基于广义雅可比矩阵的思想,建立了柔性臂空间机器人"双广义雅可比矩阵"形式的运动学模型,该运动学模型描述了柔性臂弹性变形对空间机器人的运动影响;以运动学方程为基础,设计了柔性臂空间机器人的惯性空间内连续轨迹规划算法。仿真表明,规划的机械臂关节运动规律可以补偿柔性连杆振动给机械臂末端位置带来的影响,使机械臂末端位置准确沿着期望的轨迹运动。     

空间机械臂辅助大质量舱体对接阻抗控制方法

针对空间机械臂辅助大质量舱体对接任务中,由于大臂展机械臂柔性、控制误差、机械误差等因素,导致末端位置精度差、对接机构偏离对中位带来的对接困难的问题,提出采用阻抗控制的方法。分析了对接任务中的模拟对接机构的特性,发现其受到的碰撞力与对中位姿偏离方向具有一致性,验证了阻抗控制算法的可行性;针对六维力传感器安装位置距离对接机构较远、惯性力影响严重的问题,提出了六维力信号补偿算法,保证了阻抗控制计算的正确性;进行了仿真实验,结果表明采用阻抗控制算法能在保证对接成功的前提下,有效减小接触力大小。