1 江西理工大学 能源与机械工程学院,江西南昌33003
2 福州大学 机械工程及自动化学院,福建福州350108
为了实现空间机器人捕获航天器及辅助对接操作的柔顺化，对航天器对接装置的输出力与位姿的精确控制进行了研究，且在关节电机与机械臂之间添加了弹簧阻尼缓冲装置，以防止接触、碰撞时产生的巨大冲击力造成关节破坏。首先，结合Newton第三定律、捕获点的速度约束及闭链系统的几何约束，获得了捕获航天器后的混合体系统动力学方程，通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力。接着，通过航天器对接装置相对载体坐标系的运动学关系，建立了对接操作过程中的阻抗模型。然后，设计了一种鲁棒自适应双层滑模控制策略，其与阻抗控制相结合，采用力加载随动控制系统实现对接装置的位姿与输出力的精确控制，以降低接触、碰撞时的冲击力。该控制策略具有双层滑模结构，其第一层保证混合体系统在有限时间内收敛，第二层用于解决控制的高增益问题。最后，通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性；利用数值仿真验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明，在给定的速度下缓冲装置最大可将碰撞冲击力矩降低46.78%，输出力的控制精度优于0.5 N，位置、姿态的控制精度优于10-3 m，0.5°。
双臂空间机器人 缓冲装置 辅助对接操作 阻抗控制 双层滑模 dual-arm space robot buffer device auxiliary docking operation impedance control double layer sliding mode 光学 精密工程
2023, 31(22): 3266
福州大学 机械工程及自动化学院, 福建 福州 350116
研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构——旋转型串联弹性执行器(RSEA), 可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量; 结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型; 之后, 结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型, 并计算了碰撞过程的冲击力矩; 最后, 基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明, 配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩, 最小也可减小47.8%; 而在镇定运动阶段, 各关节冲击力矩均受限在安全范围内, 实现了对关节有效地保护。
柔顺机构 空间机器人 捕获航天器操作 无源性理论 避撞柔顺控制 神经网络鲁棒H∞控制 compliant mechanism space robot capture spacecraft operation passivity theory collision avoidance compliant control neural network robust H-infinity control
1 哈尔滨商业大学 计算机与信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150028
2 黑龙江省电子商务与信息处理重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150028
3 中国兵器工业集团有限公司 航空弹药研究院, 黑龙江 哈尔滨 150036
针对自由漂浮空间机器人传统路径规划方法对基座卫星扰动较大的问题, 提出了一种基于控制变量参数化的路径规划方法。该方法将路径规划问题转化成以基座姿态扰动最小为目标函数并满足一系列约束条件的最优控制问题, 并采用控制变量参数化方法进行离散化处理, 将最优控制问题转化成求解非线性规划问题, 并给出了完整的理论收敛性证明, 从而准确地估计出自由漂浮空间机器人末端执行器的最优路径。仿真结果表明, 与传统的分解加速度方法相比, 该方法得到的运动路径所引起的基座卫星姿态扰动为0.104 rad, 相比传统方法降低了17.53%, 验证了所提路径规划方法的有效性与最优性。
自由漂浮空间机器人 姿态扰动 控制变量参数化 路径规划 space free-floating robot attitude disturbance control variable parameterization path planning
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了搭建在轨组装的地面模拟实验系统, 设计了一种基于冷气推进、能够自由漂浮的三自由度自由飞行机器人模拟器, 并对模拟器的结构设计、气路系统、动力学建模和控制系统进行了研究。采用模块化设计对主体结构进行不同功能的分区, 并结合工作原理对模拟器的承载能力进行了分析和实验验证。然后, 采用部分解耦的方式对喷嘴进行了布置, 进一步设计了整个气路系统, 并对影响喷嘴推力的因素进行了理论分析和实验验证。最后, 采用牛顿-欧拉法建立了模拟器的动力学方程, 联合Simulink和Adams, 搭建了控制仿真模型并进行了运动仿真。实验结果显示, 模拟器能够承载800 kg以上的重量, 单方向上能够达到8 N的力, 整体运行时间能够达到30 min。模拟器对参考输入有很好的跟踪效果, 能够为超冗余模块化机械臂的地面实验提供可移动载体。
空间机器人 三自由度 模拟器 冷气推进 力分配 结构设计 space robots three degree of freedom simulator cold gas propulsion force distribution structural design
针对自由漂浮空间机器人系统, 设计了一种全局逼近收敛控制器, 解决了存在初始状态误差及外界干扰条件下的系统鲁棒性问题。首先, 根据空间机器人系统的状态空间方程设计控制器, 该控制器将控制输出特性与控制增益隔离开, 对系统模型的不确定性及外界干扰具有强鲁棒性。另外, 该控制方法避免了类似反演控制方法带来的复杂度高的问题。其次, 从理论上证明了该控制器能够实现机器人系统对期望路径的跟踪。最后, 针对单臂六自由度空间机器人系统, 分别使用该控制器与鲁棒补偿控制器进行了仿真分析。仿真结果证实了该控制器的强鲁棒性。
空间机器人 全局逼近收敛控制 路径跟踪 鲁棒性 space robot global approximation convergence control path trachking robustness
天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室 机械工程学院, 天津 300384
为了提高3-RRRU空间刚柔耦合并联机构的轨迹跟踪精度, 提出了一种基于瞬态刚体校正法的逆动力学模型求解方法来构建该机构的非线性控制策略。首先, 利用自然坐标法和绝对节点坐标法建立该机构的非线性逆动力学模型, 它考虑了各支链柔性空间梁单元的剪切效应, 并能描述柔性梁的大范围非线性弹性变形。然后, 通过分析刚柔耦合动力学模型在求解过程中出现的相容性问题, 结合自然坐标法与理想运动学模型, 提出了瞬态刚体校正法并求出逆动力学模型的稳定数值因果解。最后, 基于该数值解构建并联机构的非线性控制策略, 通过仿真与实验验证了该方法的可行性与有效性。仿真与实验结果表明: 逆动力学方程组的求解精度为10-6, 约束方程的相容误差为10-8; 与刚性并联机构的控制方法相比, 该方法在圆形轨迹下的最大跟踪误差降低了0.465 mm, 圆度误差降低了0.416 mm。结果表明: 该求解方法解决了闭链机构多体动力学方程的违约问题, 有效地改善了系统的综合收敛性能, 所构建的控制策略提高了并联机构的轨迹跟踪精度。
空间机器人 并联机器人 动力学 多体系统 控制策略 spatial manipulator parallel manipulator dynamics multibody system control strategy
1 第二炮兵工程大学,西安 710025
2 中航飞机股份有限公司研发中心适航技术所,陕西 阎良 710000
惯性参数未知将导致空间机器人系统的模型不精确，使得常用的关节运动轨迹跟踪控制方法失效。针对该问题，提出一种基于自适应模糊算法的关节运动轨迹跟踪控制方法。基于模糊系统的万能逼近特性，利用参数自适应调节方法在线辨识空间机器人系统模型，解决空间机器人不具有惯性参数的先验知识和惯常线性性质的问题；设计自适应模糊控制器，实现对双臂空间机器人系统的关节空间轨迹跟踪控制；通过构造李亚普诺夫函数证明了该模糊控制系统的稳定性。数值仿真实验结果验证了所提控制方案的有效性。
自适应模糊控制 惯性参数未知 双臂空间机器人 万能逼近特性 adaptive fuzzy control inertial parameters unknown dual-arm space robot universal approximation property
