基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计

讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制。采用多体动力学建模方法并结合假设模态法,建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。基于该模型,针对系统惯性参数未知情况,提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法,以完成柔性臂空间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动。然后,为了主动抑制系统柔性振动,运用虚拟力的概念,构造了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制算法,提出了基于虚拟力概念的模糊退步自适应控制算法;这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性,而且能主动抑制柔性振动,从而提高了轨迹跟踪性能。理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

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.     

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.     

空间机器人捕获航天器后基于无源性理论的鲁棒镇定控制

研究了漂浮基空间机器人捕获非合作航天器过程对系统产生的冲击效应及其后联合体系统镇定运动的控制问题。为此,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动力学模型;结合动量守恒定律、系统运动几何关系及力的传递规律,分析了捕获过程相互碰撞所产生的冲击效应,建立了捕获完成后两者联合体的系统动力学模型。在此基础上,针对同时存在不确定参数及外部扰动的联合体系统,设计了基于无源性理论的镇定运动神经网络H_∞鲁棒控制算法。本文提出的基于无源性理论设计的鲁棒控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可快速完成系统的镇定控制,实现轨迹的精确跟踪。系统数值模拟仿真验证了本文控制方案的正确性。     

THE ROBUST CONTROL SCHEME FOR FREEFLOATING SPACE MANIPULATOR TO TRACK *THE DESIRED TRAJECTORY IN JOINTSPACE

The control of a free-floating space manipulator system is discussed. With the augmentation approach, the nonlinear parameterization problem of the dynamic equations of the space manipulator system is overcome. Based on the results, the robust control scheme for free-floating space manipulator with uncertain payload parameters to track the desired trajectory in jointspace is proposed, and the global convergence of the tracking is verified by using the Lyapunov method. The proposed control scheme is computationally simple, because we choose to make the controller robust to the uncertain inertial parameters rather than explicitly estimate them online. In particular, it needn't control the position and attitude of the floating base. A two-link planar space manipulator system is simulated to verify the control scheme proposed. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19872032), Aeronautical Science Foundation, and Science Foundation of Fuzhou University.     

空间机械臂载体与末端抓手协调运动的鲁棒与自适应混合控制方案

研究载体位置不受控制的空间机械臂载体与末端抓手协调运动的控制问题，结合系统动量守恒关系，建立了均与适当选择的惯性参数呈线性关系的系统动力学方程及协调运动的广义Jacobj矩阵，基于上述结果，针对系统中惯性参数不确定的情况，设计了载体姿态与机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的鲁棒与自适应混合控制方案，提出的控制方案具有不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度的优点，并由于对不确定参数采用保持鲁棒性的方式，减少了计算量，仿真运算证实了提出的控制方法的有效性。     

闭环双臂空间机器人系统运动规划的双向逼近方法

讨论了载体位置、姿态均不受控制的闭环双臂空间机器人系统的非完整运动规划问题. 以系统动量、动量矩守恒关系及几何约束条件为基础，建立了控制设计所需的系统状态方程； 并通过对状态方程应用双向Lyapunov方法，获得了机械臂关节角的控制输入方程，从而达到 对载体姿态及机械臂关节角的双重控制效果. 该方法的优点是减少了载体姿态控制燃料的消 耗，有效地延长了空间机器人系统的使用寿命. 通过一个平面自由漂浮闭环双臂空间机器人系统 的数值仿真，证明了方法的有效性.     

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.      

Terminal sliding mode control for coordinated motion of a space rigid manipulator with external disturbance

The control problem of coordinated motion of a free-floating space rigid manipulator with external disturbance is discussed. By combining linear momentum conversion and the Lagrangian approach, the full-control dynamic equation and the Jacobian relation of a free-floating space rigid manipulator are established and then inverted to the state equation for control design. Based on the terminal sliding mode control （SMC） technique, a mathematical expression of the terminal sliding surface is proposed. The terminal SMC scheme is then developed for coordinated motion between the base＇s attitude and the end-effector of the free-floating space manipulator with external disturbance. This proposed control scheme not only guarantees the existence of the sliding phase of the closed-loop system, but also ensures that the output tracking error converges to zero in finite time. In addition, because the initial system state is always at the terminal sliding surface, the control scheme can eliminate reaching phase of the SMC and guarantee global robustness and stability of the closed-loop system. A planar free-floating space rigid manipulator is simulated to verify the feasibility of the proposed control scheme.     

基于干扰观测器的柔性关节空间机器人退步自适应控制

研究了载体位置、姿态均不受控的情况下,系统参数不确定的柔性关节空间机器人轨迹跟踪的控制问题.结合系统动量、动量矩守恒关系,利用拉格朗日法推导出系统的动力学模型.为减小系统柔性关节对系统控制精度的影响,采用关节柔性补偿器来等效降低系统关节的柔性.再借助奇异摄动法,针对系统参数不确定的情况,设计了柔性关节空间机器人基于干扰观测器的退步自适应滑模控制方案.该方案不需要对系统惯性参数进行线性化处理,控制器结构简单,且实现了空间机器人期望轨迹的精确跟踪控制.通过平面两杆空间机器人的数值仿真证明了该方法的有效性.     

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.     

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.     

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.      

动态规划求解空间双臂机器人非完整运动最优控制问题

通过自适应动态规划研究自由漂浮空间双臂机器人运动的最优控制问题．针对空间双臂机器人的非完整性运动,采用自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming, ADP)方法求解其最优控制问题．根据多体动力学理论,推导了载体位置、姿态均无控制条件下,双臂空间机器人满足的系统动量守恒关系的非完整约束方程,并将其转化为控制系统的状态方程,从而将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为对非线性系统的控制问题．文中根据自适应动态规划网络结构,利用神经网络来近似性能指标函数,进而用龙格库塔法求解状态变量．并给出了适合该类问题的一种效用函数具体表达式,保证了空间双臂机器人到达期望位置后不再继续运动．实现了对空间双臂机器人非完整运动规划的最优控制．数值仿真实验验证了ADP对求解空间双臂机器人非完整运动规划最优控制问题的有效性．     

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.      

漂浮基柔性关节空间机器人自适应滑模运动控制及振动主动抑制

讨论了关节柔性且系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统的动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制算法设计及系统柔性振动的主动抑制问题。利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日法对系统动力学进行分析,并建立系统动力学方程。基于奇异摄动法将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统和表示系统柔性运动部分的快变子系统。针对慢变子系统提出了一种自适应滑模控制算法。该控制算法是由基于滑模面的等效控制项、自适应控制项和PID反馈控制项组成。因此,它集合了滑模控制、自适应算法和PID技术的优点,且弥补了三种算法各自的缺点。该控制算法能够有效地补偿系统的转动误差和不确定参数,提高控制系统的精度。针对快变子系统,提出基于速度差值的反馈控制算法来抑制柔性关节引起的系统柔性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真实验证明了提出的混合控制算法的有效性。     

TRAJECTORY TRACKING CONTROL FOR DUAL-ARM SPACE ROBOT WITH BOUNDED INPUT TORQUES

讨论基座姿态、位置均不控的自由漂浮双臂空间机器人在关节驱动力矩受限下其关节协调运动的控制问题. 运用拉格朗日第二类方程并耦合动量守恒关系建立动力学方程. 尔后,设计了基于饱和函数的控制方案,该方案引入具有饱和特性的双曲正切函数来控制关节力矩幅值. 最后,根据奇异扰动系统稳定性理论将系统分为降阶系统和边界层系统,分别利用李雅普诺夫函数证明其在原点呈指数稳定. 数值仿真进一步表明该方案的有效性和优越性.     

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.      

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.