漂浮基空间机器人系统基于增广变量思想的改进变结构滑模控制

讨论载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的控制问题.首先导出了空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程.之后借助于增广变量法,证明可以将上述系统动力学方程及系统增广广义Jacobi矩阵分别表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了一种空间机器人惯性空间期望轨迹跟踪的改进变结构滑模控制方案.与传统变结构滑模控制相比,所提控制方案通过一次离线预估控制律中相关矩阵元素的上下限,从而避免了实时控制过程中重复计算系统动力学方程中科氏力、离心力项的麻烦,因此有效减少了计算量,更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时应用.仿真运算,证实了方法的有效性.     

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.     

浮动基座空间机械臂系统的动力学建模与惯性轨迹跟踪的滑模控制

本文利用多刚体系统动力学方法对载体位置、姿态均不受控制的浮动基空间机械臂系统的运动学、动力学作了分析,并结合系统的动量与动量矩守恒关系建立了系统的动力学方程及运动的广义Jacobi关系。以此为基础,对空间机械臂末端抓手追踪惯性空间期望轨迹的控制问题作了研究。考虑到空间机械臂系统的结构复杂性及某些参数（如液体控制燃料的数量）的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了轨迹跟踪控制的变结构滑模控制方案。此控制方案的优点在于：在操作过程中不需要对空间机械臂载体的位置、姿态进行主动控制,因此将大大减少位置、姿态控制装置的燃料消耗。通过对平面三杆自由浮动空间机械臂系统的仿真计算,证实了文中提出的变结构滑模控制方案的有效性。     

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.     

柔性空间机器人快速终端滑模容错抑振控制

针对基座与臂杆存在柔性且执行机构发生故障的自由漂浮空间机器人系统,设计了快速终端滑模容错抑振控制器。结合线性弹簧假设、欧拉-伯努利梁理论和假设模态法提取了系统的柔性特征,利用拉格朗日方程推导出柔性基、柔性臂空间机器人系统的动力学模型;基于双幂次非奇异快速终端滑模为系统设计了有限时间容错控制器,采用Lyapunov函数法证明了闭环系统的稳定性;在此基础上,引入混合轨迹对容错控制器进行修正,进而构造出基于虚拟控制力的有限时间容错抑振控制器,实现对空间机器人载体姿态与关节轨迹的快速跟踪控制及基座与臂杆柔性振动的有效抑制。仿真结果表明,相较于无容错机制的计算力矩抑振控制算法,所设计算法的轨迹跟踪误差收敛速度提升了68.75%,弹性基座的振幅减小了78%,限定在1.1×10^-4 m之内。     

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.     

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.     

双臂空间机器人关节空间的补偿学习控制

在载体位置与姿态均不受控制情况下,结合动量(矩)守恒关系对系统进行了运动学、动力学的分析,得到了漂浮基双臂空间机器人的系统动力学方程.采用PD控制的计算力矩法,得到了系统的闭环动态误差方程,在此基础上设计了针对不确定性的自由漂浮空间机器人的控制方案,提出了一种基于遗传算法的补偿学习控制方法.将补偿学习控制与计算力矩法相结合,利用遗传算法的进化学习消除不确定因素的影响,实现机器人轨迹跟踪的良好控制.     

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．     

基于非线性级联系统的弹性关节空间机器人新型滑模控制

研究了双臂弹性关节空间机器人的改进型非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)设计、新型自适应动态终端滑模控制和弹性振动抑制问题.首先,考虑空间机器人的关节弹性,基于非线性级联系统的结构建立弹性关节空间机器人模型,分为外环机械臂动力学和内环关节动力学,具有渐近稳定性.针对外...     

漂浮基空间机械臂关节空间轨迹的鲁棒自适应跟踪控制

本文讨论了具有不确定系统参数的漂浮基空间机械臂系统的控制问题,由于截体的位置与姿态均不变控制,空间机械臂系统的控制方程失去了关于系统惯性参数的线性性质,给控制系统设计带来极大的困难,基于增广变量的思想,我们克服了上述难点,保持了控制方程关于系统惯性参数的线性关系;在此基础上,针对系统中机械臂参数不确定,载荷参数未知的情况,提出了关节空间轨迹追踪的鲁棒自适应控制方案,并应用Lyapunov直接方法对上述控制方案的渐近稳定性条件作了证明,提出的控制方案适用于空间站舱内机械手控制系统设计,仿真运算证实了该方法的有效性。     

Nonlinear robust and optimal control of robot manipulators

In this paper, we propose a new optimal control method for robust control of nonlinear robot manipulators. Many industrial robot systems are required to perform relatively large angular movement with sufficient accuracy. In real circumstances, highly nonlinear manipulator dynamics and uncertainties such as unknown load placed on the manipulator, external disturbance, and joint friction make the precise control of manipulators a very challenging task. The main contribution of this work is to develop a new robust control strategy to accomplish the precise control of robot manipulators under load uncertainty using a nonlinear optimal control formulation and solution. This methodology is based on the underlying relation between the robust stability and performance optimality. A class of robust control problems can be transformed to an equivalent optimal control problem by incorporating the uncertainty bounds into the cost functional. The θ-D optimal control approach is utilized to find an approximate closed-form feedback solution to the resultant nonlinear optimal control problem via a perturbation process. Numerical simulations show that the proposed robust controller is able to control the robot manipulator precisely under large load variations.     

漂浮基空间机械臂关节轨迹跟踪的增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题。基于增广变量法,解决了空间机械臂系统的控制方程关于系统惯性参数的非线性化问题;保持了控制方程关于系统惯性参数的线性关系。在此基础上,针对系统载荷参数不确定的情况下,提出了关节空间轨迹追踪 的增广鲁棒控制方法,并应用Lyapunov直接方法证明了 提到的控制方案能使系统满足渐近稳定性条件。通过仿真运算,证实了方法的有效性。     

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.     

Based on wavelet analysis to optimal control of motion planning of space manipulator

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＲｅｃｅｎｔｌｙ ,ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｅｏｐｌｅｐａｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃｍｏｔｉｏｎｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｓｐａｃｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ[1～4].Ｓｐａｃｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓａｔｙｐｉｃａｌｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｕｔｒｏｏｔ.Ｗｈｅｎｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｏｐｅｒａｔｅｄ ,ａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｖｅｈｉｃｌｅｉｓｓｗｉｔｃｈｅｄｏｆｆ,ｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｔ…     

带滑移铰空间机械臂的分解运动速度控制

讨论具有滑移铰的三刚体空间机械臂的逆动力学问题,给出了机械臂末端运动速度与关节铰速度变量之间的运动Jacobi关系,并以此为基础讨论了空间机械臂的分解运动速度控制方法。通过仿真运算,证实了方法的有效性。     

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.     

存在关节死区的空间机器人无扰快速终端滑模控制

针对机械臂一般操作过程中运动学的非完整特性进行运动规划时没有考虑机械臂与待抓取目标之间的关系与关节的实际特性, 研究了存在关节死区的漂浮基平面三连杆空间机械臂拦截目标前最后阶段的载体无扰动空间规划与控制. 首先根据拉格朗日第二类方程, 建立存在关节死区的载体位姿均不受控的漂浮基平面三连杆空间机械臂的动力学模型, 推导出三连杆空间机械臂反作用零空间的数学模型, 并对反作用零空间进行向量范数约束算法研究; 进而提出了一种具有抗干扰性与高收敛性的非奇异快速终端滑模控制算法实现系统的姿态无扰控制, 该方法采用变系数双幂次趋近率与非奇异快速终端滑模面相结合的方式, 提高系统状态收敛速度与抗干扰性. 为了消除机械臂关节存在的死区特性, 设计了自适应死区补偿器, 通过自适应控制来逼近死区特性的上界, 以消除关节死区对系统带来的影响, 确保跟踪控制的有效执行. 最后基于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存在死区情况下机械臂的各关节角跟踪上无反应空间下的期望轨迹的同时载体的姿态处于稳定状态, 验证了所提方法的有效性.      

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。