国内外空间机器人技术发展综述

为了实现在2020年前建立我国长期有人居住的空间站这一战略目标,必须加快空间机器人的研究计划.分别从空间机器人的概念、用途等方面进行了论述,详细介绍了国内外空间机器人的研究现状,对于发展具有我国空间特色的机器人技术具有一定的借鉴意义.     

嫦娥工程技术发展路线

月球是距离地球最近的天体,以其独特的空间位置、广阔的科学探索前景,成为人类地外天体探测和资源利用的首选目标和持续选择。简要总结世界各主要航天大国的探月发展历程和后续计划,详细介绍了我国探月工程(嫦娥工程)"绕""落""回"三步走的发展思路和技术路线,分析了后续的发展方向,提出了2030年前月球机器人科研站任务设想。     

一种带大挠性附件卫星的低阶鲁棒控制方法

针对带有大挠性附件卫星存在参数不确定性和外部扰动的问题,提出一种基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒H∞反馈控制方法.在卫星动力学模型中考虑了太阳帆板对日定向转动及天线展开过程中参数的摄动问题,进一步设计适用于线性参数时变(LPV)系统的多输入多输出(MIMO)反馈控制器,证明闭环系统在参数大范围摄动下的鲁棒稳定性.相比经典控制方法,当结构参数变化较大且三轴姿态为动态时变时,在满足期望性能指标的同时,可以有效地抑制挠性附件的振动且具有较强的抗扰能力.最后通过仿真验证了所提方法的有效性.     

空间机器人惯性参数辨识的粒子群优化新算法

提出了针对一类多自由度空间机器人卫星惯性参数在轨辨识的一种粒子群（PSO）优化新算法。通过粒子邻域限定的多样性保持、低效粒子随机重置和粒子误差的序列性评价,得到了比常规方法更好的结果,且具有无附加燃料消耗、线动量测量和特定的机器人路径规划等便利性优点。仿真算例表明,该改进方法具有较高的准确性与效率。     

空间机械臂的确定性学习控制

研究一类空间机械臂系统的基于模式的控制方法。首先在训练阶段,基于确定性学习理论设计自适应神经网络控制器使机械臂系统跟踪不同的任务模式,得到对应于不同任务模式的一系列空间机械臂闭环动态的局部准确神经网络建模,并利用这些模型构造对应不同任务模式的常值神经网络控制器。其次,在测试阶段,首先快速识别出任务模式,然后调用相应的常值神经网络控制器实现对空间机械臂系统基于模式的闭环控制。理论证明基于模式的控制方法可提高机械臂闭环系统的控制性能,并可避免频繁切换。理论结果最后在空间机械臂中得到了仿真校验。     

高轨非合作目标多视线分布式相对导航方法

针对仅采用单视线难于实现高轨非合作目标的远距离自主相对导航问题,提出基于双空间机器人的多视线分布式相对导航方法。首先,建立基于多视线测量的相对导航模型,并给出空间机器人与非合作目标的相对动力学模型;然后,为降低集中式滤波相对导航的维数,设计分布式滤波的相对导航方法,采用扩展卡尔曼滤波算法实现相对运动估计;最后,建立数学仿真模型,对多视线分布式滤波相对导航算法及可观测性进行仿真校验,仿真结果表明该方法是稳定有效的。     

空间绳系机器人超近距视觉伺服控制方法

针对空间绳系机器人超近距视觉伺服中相对位姿无法测量的问题,在建立机器人视觉系统非线性量测模型的基础上,提出一种基于直线跟踪的混合视觉伺服控制方法,利用帆板支架边缘线图像特征跟踪相对位姿,利用基座具有较大误差的量测信息保证控制系统的稳定性。仿真试验结果表明：在仅能获得帆板支架边缘线图像信息的情况下,设计的超近距逼近控制方法能够保证空间绳系机器人稳定到达目标卫星的帆板支架处,并满足捕获条件。     

Decentralized vibration control of a multi-link flexible robotic manipulator using smart piezoelectric transducers

The work in this paper is aimed to investigate the use of a decentralized control system for suppressing vibration of a multi-link flexible robotic manipulator using embedded smart piezoelectric transducers. To achieve this, a non-linear dynamic model of a flexible robotic manipulator with smart piezoelectric actuators/sensors, is developed based on the co-rotational finite element method. The method incorporates multiple co-ordinate (co-rotational) systems which rotate and translate with each element, so that the geometric non-linearity present in rotating manipulator system can be dealt with efficiently. The placement of piezoelectric actuators and sensors over the flexible links are considered for the application of decentralized control system. A numerical study shows that the developed co-rotational finite element method can be utilized to investigate the piezoelectric actuator/sensor placement and vibration control performances for a multi-link flexible manipulator undertaking complicated motion.     

空间机械臂自适应扩展雅克比零反作用控制

针对自由漂浮空间机械臂执行在轨服务(On Orbit Servicing, OOS)时对基座姿态的扰动问题,设计了一种基于扩展雅克比矩阵的自适应零反作用运动控制器。通过巧妙利用角动量守恒定律,解决了广义雅克比矩阵的非线性参数化问题。基于此,将运动学不确定性和动力学不确定性都考虑在内,采用李雅普诺夫稳定性分析工具,得到了自适应零反作用运动控制器,可以同时实现航天器姿态调节和机械臂末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪,并且不需要测量机械臂末端执行器的速度。仿真结果表明了本文所提算法的有效性。     

一种基于频域分析的柔性空间机械臂振动抑制方法

针对采用两级控制的大型柔性空间机械臂轨迹跟踪与振动抑制问题,文章在对系统频域进行分析的基础上,提出了一种应用滤波的振动抑制方法,即通过降低中央控制器输出信号的频率减少伺服跟踪的动态误差。此方法能够有效提高机械臂末端解析点(POR)的动态跟踪精度,并抑制机械臂振动。文章通过某大型机械臂全柔性系统仿真算例对方法的有效性进行了验证,可为机械臂控制和振动抑制提供借鉴。