空间机械臂在轨插拔孔操作的超扭曲滑模阻抗控制

作     者：曾晨东 艾海平 陈力 ZENG Chendong;AI Haiping;CHEN Li

作者机构：江西理工大学能源与机械工程学院南昌330013 福州大学机械工程及自动化学院福州350108 

出 版 物：《中国惯性技术学报》 (Journal of Chinese Inertial Technology)

年 卷 期：2022年第30卷第3期

页      面：412-420页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 0701[理学-数学] 

基　　金：国家自然科学基金(11372073 11072061)。 

主　　题：空间机械臂 在轨 插拔孔操作 超扭曲算法 阻抗控制 

摘      要：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。