一种空间机器人双臂捕获卫星减撞柔顺控制方法

为避免空间机器人双臂捕获卫星过程关节遭受冲击破坏,提出在机械臂与关节电机间加入一种缓冲装置,其通过内置弹簧来吸收捕获碰撞过程卫星对空间机器人关节的冲击能量,并结合减撞柔顺控制策略来保证捕获后的镇定过程关节冲击力矩在安全范围内。利用拉格朗日方法得到了捕获操作前含缓冲装置双臂空间机器人系统及卫星系统的动力学模型;之后,基于冲量定理、系统运动关系及牛顿第三定律,得到了捕获操作后双臂空间机器人与卫星混合体系统综合动力学方程;最后,针对捕获操作后受碰撞影响失稳的混合体系统,提出了基于速度重构、不确定估计的减撞柔顺控制方案。所提出的方案将速度重构、不确定估计与控制器结合,优化了控制器对系统不确定非常敏感及速度测量不准确的问题。仿真结果表明,含缓冲装置空间机器人不仅能在捕获碰撞过程减小至少50.2%的关节冲击力矩,还能在镇定过程冲击能量过大时刻应时开、关关节电机,实现对关节的保护。     

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.      

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.     

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.      

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.     

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。     

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.      

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.     

空间机械臂在轨插拔孔操作的超扭曲滑模阻抗控制

针对空间机械臂在执行在轨部件替换、在轨燃料加注以及空间站站内任务时所涉及的插拔孔操作控制问题,提出了一种空间机械臂在轨插拔孔操作的超扭曲滑模阻抗控制策略。首先,结合空间机械臂末端部件插头输出插拔孔主动力与孔内摩擦阻力作用关系,利用第二类拉格朗日方程,建立了载体位置、姿态均不受控下,漂浮基空间机械臂在轨插拔孔操作过程系统动力学方程。其次,由空间机械臂末端部件插头位姿及其输出插拔孔主动力之间的动态关系以及阻抗控制原理,建立了阻抗控制模型。最后,针对系统同时存在动力学不确定与外部扰动,将超扭曲算法与滑模控制结合,从而设计了超扭曲滑模阻抗控制策略;并通过李雅普诺夫理论,证明了控制系统的稳定性。该控制策略将滑模控制中的高频切换部分隐藏至滑模变量的高阶导数中,有效抑制普通滑模算法产生的抖振,同时补偿系统的不确定与外部扰动。数值仿真结果表明,部件插头位置精度均优于1?mm,姿态精度均优于0.5?°,输出力精度均优于1.5?N,验证了所提出控制策略的有效性。     

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。     

A particle swarm optimization approach for fuzzy sliding mode control for tracking the robot manipulator

In this paper, an optimal fuzzy sliding mode controller is used for tracking the position of robot manipulator, is presented. In the proposed control, initially by using inverse dynamic method, the known sections of a robot manipulator’s dynamic are eliminated. This elimination is done due to reduction over structured and unstructured uncertainties boundaries. In order to overcome against existing uncertainties for the tracking position of a robot manipulator, a classic sliding mode control is designed. The mathematical proof shows the closed-loop system in the presence of this controller has the global asymptotic stability. Then, by applying the rules that are obtained from the design of classic sliding mode control and TS fuzzy model, a fuzzy sliding mode control is designed that is free of undesirable phenomena of chattering. Eventually, by applying the PSO optimization algorithm, the existing membership functions are adjusted in the way that the error tracking robot manipulator position is converged toward zero. In order to illustrate the performance of the proposed controller, a two degree-of-freedom robot manipulator is used as the case study. The simulation results confirm desirable performance of optimal fuzzy sliding mode control.     

Impedance control of robots using voltage control strategy

Impedance control provides a unified solution for the position and force control of robot manipulators. The dynamic behavior of a robotic system in response to environment is prescribed by an impedance model formed as Thevenin model. This model is certain and linear while the robot manipulator is highly nonlinear, coupled, and uncertain. Therefore, impedance control must overcome nonlinearity, coupling, and uncertainty to convert the robotic system to the impedance model. To overcome these problems, this paper presents a novel impedance control for electrically driven robots, which is free from the manipulator dynamics. The novelty of this paper is the use of voltage control strategy to develop the impedance control. Compared with the commonly used impedance control, which is based on the torque control strategy, it is computationally simpler, more efficient, and robust. The mathematical verification and simulation results show the effectiveness of the control method.     

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.      

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.     

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.