空间机器人双臂捕获卫星力学分析及镇定控制

随着航天技术的发展,空间机器人要求具有对非合作卫星的在轨捕获能力. 双臂空间机器人与单臂空间机器人相比在这方面显然更具有优势. 然而由于太空环境的复杂性,使得空间机器人双臂捕获非合作卫星操作过程的动力学与控制问题表现出下述特点:非完整动力学约束,动量、动量矩与能量传递变化,捕获前后结构开、闭环变拓扑,与闭环接触几何、运动学约束多者共存. 因此空间机器人双臂捕获卫星技术相关动力学与控制问题变得极其复杂. 为此,讨论了双臂空间机器人捕获自旋卫星过程的动力学演化模拟,以及捕获操作后其不稳定闭链混合体系统的镇定控制问题. 首先,利用拉格朗日第二类方程建立了捕获操作前双臂空间机器人的开环系统动力学模型,利用牛顿-欧拉法建立了目标卫星的系统动力学模型;在此基础上基于动量守恒定律、力的传递规律,经过积分与简化处理分析、求解了双臂空间机器人捕获目标卫星后受到的碰撞冲击效应,给出了合适的捕获操作策略. 根据闭链系统的闭环约束几何及运动学关系获得了闭合链约束方程,推导了捕获操作后闭链混合体系统的动力学方程. 最后基于该动力学方程针对捕获操作结束后失稳的闭链混合体系统,设计了镇定运动模糊H_∞ 控制方案. 提出的方案利用模糊逻辑环节克服参数不确定影响,由H_∞ 鲁棒控制项消除逼近误差来保证系统控制精度;通过最小权值范数法分配各臂关节力矩,以保证两臂协同操作. 李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的全局稳定性. 最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性.      

双臂空间机器人系统末端惯性空间轨迹的反馈跟踪控制

本文讨论了载体位置不受控制的双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的控制问题.结合系统的动量守恒关系对双臂空间机器人系统的运动学、动力学作了分析,推导出了系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的增广广义Jacobi关系.并以此为基础,给出在载体位置不受控制的情况下,惯性坐标系内双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的反馈跟踪控制规律.研究结果表明,在系统动力学模型及参数较精确确定的情况下,本文提出的控制方案能够有效地控制双臂空间机器人机械臂的末端抓手与载体姿态准确地完成指定的运动,而不需对其载体的位置进行主动控制.仿真计算结果证实了方法的有效性.     

配置柔顺机构空间机器人双臂捕获卫星操作力学模拟及基于神经网络的全阶滑模避撞柔顺控制

讨论了空间机器人双臂捕获卫星操作过程避免关节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设计了一种旋转 型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)--柔顺机构,其作用在于:(1) 通过其内置弹簧的拉伸或压缩变形来吸收捕获操作过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;(2) 可以利用合理设计的与之配合的避撞柔顺控制策略来保证关节冲击力矩受限在安全范围. 首先,利用第二类Lagrange方程分别建 立了捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人的开环分系统动力学模型与目标卫星的分系统动力学模型;之后,基于系统动量 守恒关系、闭链系统位置与速度几何约束关系,获得了捕获操作后空间机器人与被捕获卫星闭链混合体系统综合动力学方程; 最后,基于RBF神经网络提出了一种捕获操作后两者混合体系统镇定运动的全阶终端滑模避撞柔顺控制方案. 所提方案结合柔 顺机构在有效吸收、缓冲被捕获卫星冲击能量的同时,还在冲击能量过大时适时开、关空间机器人关节驱动器,以避免关节驱 动器过载、破坏;此外,还通过最小权值范数法分配了机械臂各关节力矩,以保证双臂协调操作. Lyapunov稳定性理论证明了 系统的全局稳定性,系统计算机数值仿真也验证了上述避撞柔顺控制策略的有效性.      

Adaptive neural network control for coordinated motion of a dual-arm space robot system with uncertain parameters

Control of coordinated motion between the base attitude and the arm joints of a free-floating dual-arm space robot with uncertain parameters is discussed. By combining the relation of system linear momentum conversation with the Lagrangian approach, the dynamic equation of a robot is established. Based on the above results, the free-floating dual-arm space robot system is modeled with RBF neural networks, the GL matrix and its product operator. With all uncertain inertial system parameters, an adaptive RBF neural network control scheme is developed for coordinated motion between the base attitude and the arm joints. The proposed scheme does not need linear parameterization of the dynamic equation of the system and any accurate prior-knowledge of the actual inertial parameters. Also it does not need to train the neural network offline so that it would present real-time and online applications. A planar free-floating dual-arm space robot is simulated to show feasibility of the proposed scheme.     

空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制

针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题, 由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压, 已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩, 无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全. 为此, 本文考虑被抓捕目标惯性参数不确定性与双臂内力挤压对抓捕后阶段组合体稳定控制的影响, 提出了一种保证接触安全的鲁棒稳定控制方法. 首先, 根据目标的有界不确定性构造鲁棒正不变集, 同时考虑双臂与目标接触内力的影响, 利用预测控制方法在该不变集内规划控制目标运动的虚拟接触力与力矩. 然后, 根据目标动力学模型以及空间双臂机器人的运动约束, 规划空间双臂机器人的鲁棒安全期望运动轨迹. 最后, 利用障碍李雅普诺夫函数构造跟踪控制器, 使空间双臂机器人有效地跟踪期望轨迹, 从而使得翻滚目标运动受到等效于虚拟控制律的作用, 在保证接触安全的同时实现鲁棒的稳定控制. 通过空间双臂机器人稳定翻滚目标的仿真算例验证了所提方法的有效性.      

双臂空间机器人相对载体运动的增广自适应控制方法

本文讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人末端爪手基联坐标系内轨迹跟踪的自适应控制问题.系统运动学、动力学分析结果表明,结合系统动量守恒关系得到的双臂空间机器人系统动力学方程,可以表示为一组新的适当选择的系统组合惯性参数的线性函数;从而克服了惯常的空间机器入系统动力学方程,关于系统惯性参数呈非线性函数关系的难点.以此为基础,并借助于增广变量法,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数未知的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人末端爪手基联坐标系内轨迹跟踪的增广自适应控制方案.提出的控制方案具有不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点.系统数值仿真,证实了方法的有效性.     

基于能力评估的空间翻滚目标抓捕策略优化

由于目标的翻滚运动, 空间双臂机器人对动态目标的抓捕相比于静态目标更具有挑战性. 对抓捕策略进行优化可以提高空间双臂机器人对翻滚目标的操作能力以保证任务的成功. 本文提出了一种基于能力评估的抓捕策略优选方法. 空间双臂机器人捕获目标时, 双臂末端执行器与目标同时接触形成闭链系统, 闭链约束的引入使操作能力的评估更加复杂. 在对双臂空间机器人协调操作翻滚目标的运动学与动力学分析基础上, 建立了考虑闭链约束的协调工作空间, 并分析了基于任务兼容度的消旋能力评估指标. 建立的协调工作空间同时包含位置和姿态信息, 可以用于灵巧度的计算. 接着, 基于协调工作空间的全局灵巧度指标确定机械臂末端执行器对目标的最优抓捕点, 以及考虑相机视角约束和末端执行器对目标速度跟踪约束下的力任务兼容度指标确定空间双臂机器人捕获翻滚目标时的最优抓捕构型. 利用能力评估确定抓捕策略可以充分利用双臂的协调性以增加对动态目标的操作能力, 通过仿真验证了所提抓捕策略的可行性和有效性.      

漂浮基双臂空间机器人姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的模糊滑模控制

本文讨论了载体姿态受控、位置不受控制的双臂空间机器人系统的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性系统动力学模型.以此为基础,考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论,设计了双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的滑模变结构控制方案.为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振.系统数值仿真,证明了上述控制方案良好的控制效果.     

COORDINATED PATH PLANNING BY INTEGRATING IMPROVED RRT$^{\small*}$ AND QUARTIC SPLINE$^{\bf 1)}$

针对空间机器人抓捕空间非合作目标的在轨服务任务,同时考虑机器人运动学约束和动力学约束,提出一种分层式的自由漂浮双臂空间机器人协调路径规划方法. 首先,在路径规划层面上基于 RRT* 算法分别规划双臂末端执行器在笛卡尔空间下的初始可行路径,为双臂设置独立的采样空间,保证路径规划过程中双臂系统不发生自身碰撞. 然后,在轨迹规划层面上利用四次样条曲线平滑 RRT* 算法生成的初始路径,设计满足样条曲线的一阶、二阶及三阶微分连续约束,同时考虑机械臂末端执行器的初末速度约束条件、初始加速度约束条件,得到适合于空间机器人执行的动力学可行的平滑 轨迹.最后,计算所规划路径的最大速度、最大加速度与机械臂末端执行器物理极限值的比值,取最小上限,即为最少路径规划时间. 所提路径规划方法能够设计出满足特定路径点约束的协调路径,且所设计的路径考虑了机械臂的物理限制条件,通过对自由漂浮双臂空间机器人进行仿真试验,验证了所提路径规划算法的有效性.     

一种改进 RRT* 结合四次样条的协调路径规划方法

针对空间机器人抓捕空间非合作目标的在轨服务任务,同时考虑机器人运动学约束和动力学约束,提出一种分层式的自由漂浮双臂空间机器人协调路径规划方法. 首先,在路径规划层面上基于 RRT* 算法分别规划双臂末端执行器在笛卡尔空间下的初始可行路径,为双臂设置独立的采样空间,保证路径规划过程中双臂系统不发生自身碰撞. 然后,在轨迹规划层面上利用四次样条曲线平滑 RRT* 算法生成的初始路径,设计满足样条曲线的一阶、二阶及三阶微分连续约束,同时考虑机械臂末端执行器的初末速度约束条件、初始加速度约束条件,得到适合于空间机器人执行的动力学可行的平滑 轨迹.最后,计算所规划路径的最大速度、最大加速度与机械臂末端执行器物理极限值的比值,取最小上限,即为最少路径规划时间. 所提路径规划方法能够设计出满足特定路径点约束的协调路径,且所设计的路径考虑了机械臂的物理限制条件,通过对自由漂浮双臂空间机器人进行仿真试验,验证了所提路径规划算法的有效性.      

HYBRID OPTIMIZATION STRATEGY FOR MOTION PLANNING OF SPACE ROBOT SYSTEM WITH PRISMATIC JOINT

研究了自由漂浮带滑移铰空间机器人非完整运动规划的最优控制问题,提出一种由高斯伪谱法求解可行解与直接打靶法求解最优解相结合的混合优化策略.首先,根据多体系统动力学理论建立空间机器人的动力学模型,给定系统的初始和目标位形,将空间机器人运动规划问题描述成博尔察（Bolza）型最优控制问题;然后,利用高斯伪谱法将最优控制问题离散为非线性规划问题,求解在较少勒让德-高斯（Legendre-Gauss,LG）点时状态变量和控制变量对应的可行解;最后,在LG点处离散控制变量,作为直接打靶法的初值,利用序列二次规划算法求解空间机器人系统的优化运动轨迹和最优控制输入.通过数值仿真,系统优化运动轨迹光滑平稳,最优控制输入也能很好地满足各种约束条件,仿真结果验证了该混合优化策略的鲁棒性和有效性.     

基于有限时间收敛的双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制

针对双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制进行了研究. 为防止捕获过程中机械臂末端执行器与卫星接触、碰撞时产生的冲击载荷对机器人关节造成冲击破坏, 在各关节电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼缓冲机构. 该机构可通过弹簧实现冲击力矩的卸载, 阻尼器则用于因弹簧引起的柔性振动的抑制. 为解决捕获过程中的非完整动力学约束及捕获后混合体系统的协调控制问题, 结合牛顿第三定律、捕获点的速度约束及闭链几何约束, 获得捕获后混合体系统的动力学方程, 且通过动量守恒关系计算碰撞冲击效应与碰撞冲击力. 通过分析对接装置在载体坐标系下的运动学关系, 建立对接装置相对载体的运动雅可比矩阵, 并基于此建立基于力的二阶线性阻抗模型, 实现对接装置输出力的精确控制. 考虑到主动对接操作过程要求控制器具有收敛速度快, 控制精度高的特点, 通过结合终端滑模与超扭滑模的特点, 提出一种非奇异快速终端滑模阻抗控制策略. 该策略即能实现主动对接操作中位姿与输出力的快速响应, 又能有效地抑制滑模的抖振以保证控制精度. 通过Lyapunov定理证明系统的稳定性; 利用数值模拟验证缓冲装置的抗冲击性能及所提阻抗控制策略的有效性.      

Disturbance compensation of a dual-arm underwater robot via redundant parallel mechanism theory

Disturbance compensation is one of the major issues for underwater robots to hover as a mobile platform and to manipulate an object in an underwater environment. This paper presents a new strategy of disturbance compensation for a mobile dual-arm underwater robot using internal torques derived from redundant parallel mechanism theory. A model of the robot was analyzed by redundant serial and parallel mechanisms at the same time. The joint torque to operate the robot is obtained from a redundant serial mechanism model with null-space projection due to redundancy. The joint torque derived from the redundant parallel kinematic model is calculated to perfectly compensate for disturbances to the mobile platform and is included in the solution of the joint torque based on the serial redundant model. The resultant joint torque can generate force on the end-effector for required tasks and forces for disturbance compensation simultaneously . A simulation shows the performance of this disturbance compensation strategy. The joint torque based on the algorithm generates the desired task force and the disturbance compensation force together, and a little additional joint torque can generate a large internal force effectively due to the characteristics of a redundant parallel mechanism. The proposed method is more effective than compensation methods using thrusting force on the mobile platform.     

机器人关节非线性摩擦模型关键参数反求

机器人关节非线性摩擦的准确描述对提高机器人轨迹精度、定位精度及其可靠性等具有重要理论意义和科学价值. 然而, 机器人关节通常包含电机、减速器、驱动器和传感器, 是一个复杂的机电耦合系统, 随服役时间及工况的变化, 机器人关节的摩擦参数也存在显著时变效应, 难以准确描述, 造成轨迹精度下降, 为机器人后期精度维护造成巨大困难. 因此, 本文定量评价了摩擦参数对机器人输出力矩的影响, 提出考虑时变效应的机器人关节非线性摩擦参数反求方法. 首先, 建立机器人关节一般非线性摩擦模型. 设计机器人关节恒速跟踪实验, 通过卡尔曼滤波对实验采集的数据进行处理, 进而建立关节速度和驱动电机电流之间的关系, 完成关节一般非线性摩擦模型建立. 其次, 择取非线性摩擦模型关键参数. 建立包含非线性摩擦的机器人动力学模型, 基于激励轨迹计算各关节力矩, 并对其开展灵敏度分析, 择取对关节力矩灵敏性较高的摩擦参数. 再次, 建立关节输出力矩和摩擦参数一一对应的数据集. 基于实际工况构建摩擦参数取值空间, 采用最优拉丁超立方法对摩擦参数采样, 并将其代入机器人动力学模型计算出相应的力矩, 从而求得关节输出力矩和摩擦参数一一对应的数据集. 最后, 建立反问题神经网络并对其进行训练, 实现非线性摩擦模型关键参数反求, 并进行验证. 研究结果表明关节非线性摩擦的准确描述减小了机器人低速运动换向时摩擦力矩突变对机器人轨迹的影响, 显著提升了机器人轨迹精度.      

Dynamics and adaptive control of a dual-arm space robot with closed-loop constraints and uncertain inertial parameters简

A dynamics-based adaptive control approach is proposed for a planar dual-arm space robot in the presence of closed-loop constraints and uncertain inertial parameters of the payload. The controller is capable of controlling the po- sition and attitude of both the satellite base and the payload grasped by the manipulator end effectors. The equations of motion in reduced-order form for the constrained system are derived by incorporating the constraint equations in terms of accelerations into Kane＇s equations of the unconstrained system. Model analysis shows that the resulting equations perfectly meet the requirement of adaptive controller design. Consequently, by using an indirect approach, an adaptive control scheme is proposed to accomplish position/attitude trajectory tracking control with the uncertain parameters be- ing estimated on-line. The actuator redundancy due to the closed-loop constraints is utilized to minimize a weighted norm of the joint torques. Global asymptotic stability is proven by using Lyapunov＇s method, and simulation results are also presented to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.     

考虑摩擦特性的柔性关节空间机器人自适应CMAC神经网络鲁棒控制

讨论了关节摩擦力矩影响下,具有柔性铰关节的漂浮基空间机器人系统的动力学控制问题.设计了基于高斯基函数的小脑神经网络(CMAC)鲁棒控制器和摩擦力矩补偿器.用奇异摄动理论对系统的动力学模型进行快慢变子系统分解,针对快变子系统,设计力矩微分反馈控制器来抑制机械臂关节柔性引起的振动;对于慢变子系统,设计了基于自适应CMAC神...     

Detumbling strategy and coordination control of kinematically redundant space robot after capturing a tumbling target

This paper focuses on the motion planning to detumble and control of a space robot to capture a non-cooperative target satellite. The objective is to construct a detumbling strategy for the target and a coordination control scheme for the space robotic system in post-capture phase. First, the dynamics of the kinematically redundant space robot after grasping the target is presented, which lays the foundation for the coordination controller design. Subsequently, optimal detumbling strategy for the post-capture phase is proposed based on the quartic B\(\acute{\text{ e }}\)zier curves and adaptive particle swarm optimization algorithm subject to the specific constraints. Both detumbling time and control torques were taken into account for the generation of the optimal detumbling strategy. Furthermore, a coordination control scheme is designed to track the designed reference path while regulating the attitude of the chaser to a desired value. The space robot successfully dumps the initial velocity of the tumbling satellite and controls the base attitude synchronously. Simulation results are presented for detumbling a target with rotational motion using a seven degree-of-freedom redundant space manipulator, which demonstrates the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

DYNAMICS MODELING,SIMULATION, AND CONTROL OF ROBOTS WITH FLEXIBLE JOINTS AND FLEXIBLE LINKS$^{\bf 1)}$

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.     

柔性铰柔性杆机器人动力学建模、仿真和控制

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.      

TRAJECTORY TRACKING CONTROL AND VIBRATION SUPPRESSION OF SPACE-BASED ROBOT WITH ELASTIC FOUNDATION

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置无控、姿态受控的漂浮基空间机械臂惯性空间轨迹跟踪控制及基座弹性振动主动抑制问题。由系统位置几何关系及动量守恒关系,建立了系统运动Jacobi 关系;之后利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系建立了系统动力学方程。基于奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将该方程分解为描写系统刚性运动的慢变子系统与描写系统弹性振动的快变子系统。对慢变子系统设计了基于计算力矩法的轨迹跟踪控制器;对于快变子系统则设计了线性二次最优控制方案。数值仿真证实了提出的控制方法的有效性。