DYNAMICS MODELING AND EXPERIMENT OF A FLEXIBLE CAPTURING MECHANISM IN A SPACE MANIPULATOR 1)

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.     

考虑冲击影响的空间机械臂捕获目标后实时观测滑模补偿镇定控制

分析漂浮基空间机械臂捕获目标受到的碰撞冲击影响效应及碰撞后的镇定控制.首先,建立空间机械臂多体系统的动力学模型.机械臂捕获目标过程所受的碰撞冲击将会引起不稳定运动,利用动量定理评估计算碰撞冲量对其运动状态的影响效应.而后,设计实时观测滑模补偿控制对受碰撞冲击后的不稳定空间机械臂系统进行镇定控制.最后,通过对空间机械臂捕获目标的碰撞冲击及镇定控制过程仿真,验证了控制算法的有效性.     

空间机械臂捕获卫星过程的碰撞动力学模拟及镇定运动的鲁棒控制

讨论了漂浮基空间机械臂捕获未知运动目标卫星的接触碰撞动力学建模和接触碰撞后系统镇定运动的控制问题。利用第二类拉格朗日方法和牛顿-欧拉法分别建立了接触碰撞前漂浮基空间机械臂和目标卫星两分体系统的动力学模型;以此为基础借助于空间机械臂与目标卫星接触点间的运动几何关系、力传递关系,计算了接触碰撞所产生的影响效应;捕获卫星后,联立空间机械臂与卫星接触碰撞前的动力学模型,建立了接触碰撞后两系统组合体动力学模型;并设计了增广鲁棒控制算法,以对受碰撞冲击后处于不稳定的组合体系统进行镇定运动控制。上述控制方法能应用于空间机械臂载体位置不受控情况,并能使组合体系统控制方程关于卫星不确定参数呈线性化关系。最后,利用数值仿真模拟捕获过程系统运动状态,验证了上述鲁棒控制镇定运动的效果。     

基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略研

空间机械臂技术是未来实施在轨服务与维护任务的关键技术之一. 利用机械臂对空间非合作目标, 特别是翻滚目标的抓捕仍然存在巨大的挑战. 本文提出一种基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略方案. 在对非合作目标与空间机械臂运动学与动力学分析的基础上, 结合非合作目标被空间机械臂抓捕后的动静态对偶性分析, 构建抓捕后的力可操作度椭球作为抓捕策略设计的优化指标. 其次, 考虑目标的运动预测和空间机械臂的抓捕能力图谱构建, 确定空间机械臂应对目标的最优抓捕时机与抓捕终端状态. 基于Clamped B样条对空间机械臂各关节轨迹进行时间归一化参数描述, 并对抓捕过程中的机械臂关节角、速度、避撞、抓捕走廊等约束进行数学变换, 最终将抓捕策略转换为多约束、多目标的非线性优化问题, 利用自适应惯性权重的粒子群优化算法进行求解. 将所设计的抓捕策略应用于空间七自由度运动学冗余机械臂, 实现了对空间中翻滚目标的成功捕获, 验证了所提抓捕策略的可行性与有效性.      

基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略研究

空间机械臂技术是未来实施在轨服务与维护任务的关键技术之一.利用机械臂对空间非合作目标,特别是翻滚目标的抓捕仍然存在巨大的挑战.本文提出一种基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略方案.在对非合作目标与空间机械臂运动学与动力学分析的基础上,结合非合作目标被空间机械臂抓捕后的动静态对偶性分析,构建抓捕后的力可操作度椭球作为抓捕策略设计的优化指标.其次,考虑目标的运动预测和空间机械臂的抓捕能力图谱构建,确定空间机械臂应对目标的最优抓捕时机与抓捕终端状态.基于Clamped B样条对空间机械臂各关节轨迹进行时间归一化参数描述,并对抓捕过程中的机械臂关节角、速度、避撞、抓捕走廊等约束进行数学变换,最终将抓捕策略转换为多约束、多目标的非线性优化问题,利用自适应惯性权重的粒子群优化算法进行求解.将所设计的抓捕策略应用于空间七自由度运动学冗余机械臂,实现了对空间中翻滚目标的成功捕获,验证了所提抓捕策略的可行性与有效性.     

BUFFER AND COMPLIANT DYNAMIC SURFACE CONTROL OF SPACE ROBOT CAPTURING SATELLITE BASED ON COMPLIANT MECHANISM$^{\bf 1)}$

研究了空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受碰撞冲击破坏的缓冲从顺控制问题, 为此在机械臂与关节电机之间配置了一种柔性机构, 其作用在于: (1)在接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击力矩; (2)在镇定运动阶段, 结合与之配合的缓冲从顺控制策略来适时开、关关节电机, 以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围. 首先, 利用多刚体系统理论获得配置柔性机构空间机器人及目标卫星分体系统动力学方程; 之后, 结合整个系统动量守恒关系, 捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了两者形成联合体系统的动力学方程, 并计算了碰撞过程的冲击效应与冲击力. 为了实现失稳联合体系统的镇定控制, 提出了一种基于动态面的缓冲从顺控制方案. 上述控制方案可在实现吸收捕获操作产生的冲击力矩的同时, 还能在冲击力矩过大时适时开启、关闭关节电机, 以避免关节电机发生破坏; 此外, 动态面的引入避免了反演法存在的计算膨胀问题, 有效减少了计算量. 基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性, 并通过系统数值仿真结果验证了上述缓冲从顺控制策略的正确性.     

基于柔性机构捕捉卫星的空间机器人动态缓冲从顺控制

研究了空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受碰撞冲击破坏的缓冲从顺控制问题, 为此在机械臂与关节电机之间配置了一种柔性机构, 其作用在于: (1)在接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击力矩; (2)在镇定运动阶段, 结合与之配合的缓冲从顺控制策略来适时开、关关节电机, 以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围. 首先, 利用多刚体系统理论获得配置柔性机构空间机器人及目标卫星分体系统动力学方程; 之后, 结合整个系统动量守恒关系, 捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了两者形成联合体系统的动力学方程, 并计算了碰撞过程的冲击效应与冲击力. 为了实现失稳联合体系统的镇定控制, 提出了一种基于动态面的缓冲从顺控制方案. 上述控制方案可在实现吸收捕获操作产生的冲击力矩的同时, 还能在冲击力矩过大时适时开启、关闭关节电机, 以避免关节电机发生破坏; 此外, 动态面的引入避免了反演法存在的计算膨胀问题, 有效减少了计算量. 基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性, 并通过系统数值仿真结果验证了上述缓冲从顺控制策略的正确性.      

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.     

空间机器人捕获卫星操作基于柔顺装置的无源模糊避撞柔顺控制

讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受冲击及过载破坏的避撞柔顺控制问题。在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用一是在捕获阶段,通过其内置弹簧的变形来缓冲捕获过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;二是在捕获完成后的镇定运动阶段,结合所设计的避撞柔顺策略来适时开关关节电机以保证关节冲击力矩受限在安全范围。首先,根据拉格朗日法及牛顿-欧拉法分别建立了含柔顺装置空间机器人与目标卫星系统的动力学方程;之后,结合整个系统动量守恒关系、系统运动几何及位置约束关系,建立了捕获操作后两者形成混合体系统的动力学方程。在此基础上,针对捕获操作后不稳定的混合体系统,提出了一种基于无源性理论的避撞柔顺模糊控制方案以实现其镇定控制。最后,通过仿真实验验证了所提避撞柔顺策略的有效性。     

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.      

Impact dynamics analysis of free-floating space manipulator capturingsatellite on orbit and robust adaptive compound controlalgorithm design for suppressing motion

The impact dynamics, impact effect, and post-impact unstable motion sup- pression of free-floating space manipulator capturing a satellite on orbit are analyzed. Firstly, the dynamics equation of free-floating space manipulator is derived using the sec- ond Lagrangian equation. Combining the momentum conservation principle, the impact dynamics and effect between the space manipulator end-effector and satellite of the cap- ture process are analyzed with the momentum impulse method. Focusing on the unstable motion of space manipulator due to the above impact effect, a robust adaptive compound control algorithm is designed to suppress the above unstable motion. There is no need to control the free-floating base position to save the jet fuel. Finally, the simulation is proposed to show the impact effect and verify the validity of the control algorithm.     

Motion control of the flexible manipulator via controllable local degrees of freedom

In order to improve motion accuracy of the flexible manipulator, an idea of using its topological characteristics to suppress vibration is suggested. The concept of controllable local degree of freedom is proposed and introduced to the topological structure of the flexible manipulator. It is shown that the arbitrary motion provided by the controllable local degrees of freedom plays an important role in eliminating undesired effects of the flexibility. On this basis, a method for reducing motion error of the flexible manipulator is put forward. By planning the motion of controllable local degrees of freedom, the appropriate control force can be constructed to increase the damping force and eliminate the exciting force of the flexible manipulator, thereby improving the end-effector accuracy. The results, demonstrated by the numerical simulations, are highly promising and suggest that controllable local degrees of freedom can be a useful tool in combating the undesired vibration deformation of the flexible manipulator.     

Order-N Formulation and Dynamics of Multi-Unit Flexible Space Manipulators

As robotic manipulators gain more importance in space operations, it is becoming imperative to understand their distinctive dynamics and control characteristics. With the increasing complexity of space robots, efficient algorithms are now required for their simulation. The present study uses an order-N algorithm, based on the Lagrangian approach and velocity transformations, to simulate the planar dynamics of a novel orbiting manipulator with arbitrary number of slewing and deployable flexible links. The relatively general formulation accounts for interactions between orbital, librational, slewing, deployment, and vibrational degrees of freedom, and thus is applicable to a large class of manipulator systems of contemporary interest. A parametric analysis of the system dynamics is carried out to investigate the effects of initial disturbances, variation of system parameters and maneuver profiles. The study suggests significant coupling between the rigid body motion and structural vibrations. As a result, the system's flexibility can significantly affect the manipulator's performance.     

Solving time-varying inverse kinematics problem of wheeled mobile manipulators using Zhang neural network with exponential convergence

A mobile manipulator is a robotic device composed of a mobile platform and a stationary manipulator fixed to the platform. The forward kinematics problem for such mobile manipulators has a mathematical analytic solution; however, the inverse kinematics problem is mathematically intractable (especially for satisfying real-time requirements). To obtain the accurate solution of the time-varying inverse kinematics for mobile manipulators, a special class of recurrent neural network, named Zhang neural network (ZNN), is exploited and investigated in this article. It is theoretically proven that such a ZNN model globally and exponentially converges to the solution of the time-varying inverse kinematics for mobile manipulators. In addition, the kinematics equations of the mobile platform and the manipulator are integrated into one system, and thus the resultant solution can co-ordinate simultaneously the wheels and the manipulator to fulfill the end-effector task. For comparison purposes, a gradient neural network (GNN) is developed for solving time-varying inverse kinematics problem of wheeled mobile manipulators. Finally, we conduct extensive tracking-path simulations performed on a wheeled mobile manipulator using such a ZNN model. The results substantiate the efficacy and high accuracy of the ZNN model for solving time-varying inverse kinematics problem of mobile manipulators. Besides, by comparing the simulation results of the GNN and ZNN models, the superiority of the ZNN model is demonstrated clearly.     

在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模

在轨组装是未来超大型空间结构最有发展潜力的构建方式之一, 组装过程中空间结构尺寸逐渐增长、动力学特性也随之改变, 给结构主动控制任务带来了新的挑战. 针对这一问题, 提出一种在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模方法. 首先, 建立不同类别组装模块的基础模型库, 以用于后续直接调用; 然后, 定义模块的邻接关系矩阵以描述在轨组装过程中空间结构的变化, 并根据在轨组装任务特点, 设计了面向分布式控制的智能组件结构形式; 在有限元建模方法的基础上提出"节点自由度加载"方法, 利用模块的基础模型库与邻接关系矩阵, 分别建立智能组件和空间结构整体的动力学模型, 该模型可随组装的进行同步自适应更新; 最后, 以在轨组装桁架结构为例, 给出组装碰撞冲击下动力学建模与分布式主动控制数值仿真. 结果表明, 在轨组装过程中桁架结构整体的动力学特性有明显的变化, 主动控制非常必要; 基于提出的建模方法, 可高效地建立构型多样的在轨组装空间结构动力学模型; 智能组件的动力学模型在组装过程中可进一步根据邻接关系矩阵限定更新范围, 适用于在轨组装过程中的分布式主动控制系统设计.      

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).      

软体连续机械臂动力学建模与仿真

由于软体机械臂的质量是沿臂的长度连续分布,因此采用拉格朗日方法建立软体机械臂的动力学模型时,涉及计算复杂的积分运算,采用离散化的集中质量模型降低了计算的复杂性,但准确性不足.为了提高软体机械臂动力学建模与仿真的准确度和计算效率,本文采用模态方法对软体机械臂进行运动学描述,并从能量的角度分析软体机械臂动力学特性,研究发现...