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空间机器人最优能耗捕获目标的自适应跟踪控制

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机器人 2022年第1期44卷 77-89页

作者：柳强金明河刘宏王滨哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001

提出了一种能够引导末端执行器以期望速度跟踪目标的轨迹规划方法。该方法可以实现避障并满足关节限制要求。基于轨迹规划方法,设计了一种利用自由飘浮空间机器人跟踪与捕获章动自旋卫星的自适应控制策略。此外,该控制策略还考虑了最优... 详细信息

提出了一种能够引导末端执行器以期望速度跟踪目标的轨迹规划方法。该方法可以实现避障并满足关节限制要求。基于轨迹规划方法,设计了一种利用自由飘浮空间机器人跟踪与捕获章动自旋卫星的自适应控制策略。此外,该控制策略还考虑了最优能耗、测量误差和优化误差。首先,为了使执行器的跟踪误差和机械臂的能耗最小,将空间机器人的控制策略描述为一个关于关节速度、力矩和避障距离的不等式约束优化问题。然后,推导出一个系数为下三角矩阵的显式状态方程,并对目标函数进行解耦和线性化。设计了一种关节速度和力矩分段优化方法去代替传统的凸二次规划方法求解最优问题,这种方法具有较高的计算效率。最后,利用李雅普诺夫稳定性理论验证了所提控制方法的收敛性。

关键词：空间机器人最优自适应跟踪控制最优能耗动力学解耦与线性化

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空间机器人组装超大型结构的动力学分析

应用数学和力学 2022年第8期43卷 835-845页

作者：王启生蒋建平李庆军江国期邓子辰中山大学航空航天学院广州510000 西北工业大学工程力学系西安710072

超大型航天结构具有超大柔性、超低固有频率的特点,空间机器人在轨组装时应尽可能避免激起超大型结构的柔性振动.空间机器人组装超大型结构模块的过程分成抓捕阶段、位姿调整与稳定阶段、安装阶段和爬行阶段.通过对安装阶段的动力学与... 详细信息

超大型航天结构具有超大柔性、超低固有频率的特点,空间机器人在轨组装时应尽可能避免激起超大型结构的柔性振动.空间机器人组装超大型结构模块的过程分成抓捕阶段、位姿调整与稳定阶段、安装阶段和爬行阶段.通过对安装阶段的动力学与控制研究,提出共线安装的轨迹规划方法,有效避免了柔性结构振动.首先,采用自然坐标法和绝对节点坐标法建立主结构-空间机器人-待组装结构的在轨组装系统动力学模型.然后,将共线安装的要求转化为空间机器人的轨迹规划约束,要求空间机器人质心到主结构/待组装结构的距离保持不变,实现共线安装的轨迹规划.数值仿真表明:提出的组装方法在组装过程中可有效避免超大型结构的横向运动,降低夹持力矩.最后,分析了系统参数对组装过程动力学响应的影响,为超大型航天器的在轨组装提供了参考.

关键词：超大型航天器空间机器人在轨服务轨迹规划自然坐标法

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空间机器人的可变增益滑模控制方法

哈尔滨工业大学学报 2021年第7期53卷 99-107,115页

作者：史玲玲姚鹤金鑫李朝将北京理工大学机械与车辆学院北京100081

针对空间机器人抓捕目标的轨迹跟踪过程,提出了一种基于可变增益的滑模控制算法,并利用MATLAB/Simscape对空间机器人的理论动力学模型和控制算法进行了仿真校验。首先,基于拉格朗日法构建了空间机器人的动力学模型,并给出了系统参数不... 详细信息

针对空间机器人抓捕目标的轨迹跟踪过程,提出了一种基于可变增益的滑模控制算法,并利用MATLAB/Simscape对空间机器人的理论动力学模型和控制算法进行了仿真校验。首先,基于拉格朗日法构建了空间机器人的动力学模型,并给出了系统参数不确定时的动力学方程。设计了一种滑模控制器,在控制器中引入了可变增益,该增益可根据系统的不确定性和系统的运动状态进行调整,从而使控制器具有很强的鲁棒性。基于Simscape Multibody软件模块,对空间机器人的理论动力学模型进行了验证。在此基础上,针对多关节运动和系统模型不确定两种情形,利用可变增益滑模控制算法进行了空间机器人的轨迹跟踪仿真实验。实验结果表明,与传统的计算力矩法相比,本文提出的控制算法呈现出更高的运动控制精度和误差收敛速度。

关键词：空间机器人轨迹跟踪动力学建模可变增益滑模控制器 Simscape Multibody

空间机器人双臂捕获卫星操作的事件采样输出反馈神经网络避撞柔顺控制

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控制与决策 2021年第9期36卷 2113-2122页

作者：曾晨东艾海平陈力福州大学机械工程及自动化学院福州350116

讨论漂浮基空间机器人双臂捕获非合作卫星过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题,提出在机械臂与关节电机之间加入一种旋转型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)作为柔顺缓冲机构,其作用在于:1)捕获碰撞过程,通... 详细信息

讨论漂浮基空间机器人双臂捕获非合作卫星过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题,提出在机械臂与关节电机之间加入一种旋转型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)作为柔顺缓冲机构,其作用在于:1)捕获碰撞过程,通过其内置弹簧的拉伸或压缩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)捕获完成后的镇定过程,利用设计与之配合的避撞柔顺控制策略保证关节冲击力矩限制在安全范围.利用第二类拉格朗日方程推导得到捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人系统及目标卫星的各分体系统动力学模型;基于系统动量守恒关系、系统运动几何关系及牛顿第三定律,得到捕获操作后双臂空间机器人与被捕获卫星混合体系统综合动力学方程;针对捕获操作后受碰撞影响而产生不稳定运动的混合体系统,提出一种基于事件采样输出反馈的RBF神经网络避撞柔顺控制方案.上述方案与柔顺机构相结合不仅能有效吸收被捕获卫星的冲击能量,还能在冲击能量过大时应时开、关双臂空间机器人关节电机,以防止关节电机发生过载和破坏.通过李雅普诺夫稳定性理论证明系统的全局稳定性,并通过仿真结果验证所提避撞柔顺控制方案的有效性.

关键词：空间机器人双臂捕获卫星操作事件采样 RBF神经网络避撞柔顺控制

空间机器人执行器部分失效故障的终端滑模容错控制

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中国机械工程 2019年第8期30卷 947-953页

作者：雷荣华陈力福州大学机械工程及自动化学院福州350116 福建省高端装备制造协同创新中心福州350116

针对空间机器人在太空作业时执行器发生部分失效故障的问题,设计了一种基于非奇异终端滑模的分散容错控制方法。根据线动量守恒定律与拉格朗日法建立了系统的动力学方程,然后基于载体和关节的局部信息将系统进行分散,从而得到子系统的... 详细信息

针对空间机器人在太空作业时执行器发生部分失效故障的问题,设计了一种基于非奇异终端滑模的分散容错控制方法。根据线动量守恒定律与拉格朗日法建立了系统的动力学方程,然后基于载体和关节的局部信息将系统进行分散,从而得到子系统的动力学方程;将子系统动力学方程中表示执行器故障程度的有效因子进行变量分离,再利用自适应分散神经网络对分离后的变量进行实时估计,根据估计结果在线设计控制律以消除执行器故障对系统稳定性的影响,保证良好的轨迹跟踪性能。通过Lyapunov函数法证明了该控制方案能保证整个闭环系统的渐进稳定性。仿真结果验证了控制方法的有效性。

关键词：空间机器人执行器失效终端滑模分散容错控制

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空间机器人动力学奇异回避的笛卡尔轨迹规划

宇航学报 2020年第8期41卷 989-999页

作者：金荣玉耿云海哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

针对空间机器人动力学奇异的回避问题,提出一种基于组合函数的笛卡尔轨迹规划方法。将梯形规划与正弦函数相结合,对机械臂末端的位姿进行参数化。机械臂沿着某一轨迹运动时,根据阻尼最小方差法(DLS)的特点,提出一种判断是否发生动力学... 详细信息

针对空间机器人动力学奇异的回避问题,提出一种基于组合函数的笛卡尔轨迹规划方法。将梯形规划与正弦函数相结合,对机械臂末端的位姿进行参数化。机械臂沿着某一轨迹运动时,根据阻尼最小方差法(DLS)的特点,提出一种判断是否发生动力学奇异的方法,并据此进行轨迹规划。该方法可以保证空间机械臂运动过程中不会遇到动力学奇异。此外,将基座姿态扰动和机械臂运动时间作为目标函数的一部分,最终,轨迹规划问题转化为多目标优化问题,并利用混合整数规划的混沌粒子群优化算法(CPSO)进行求解。该优化算法能够改善标准粒子群算法(PSO)的"早熟"现象。仿真结果表明,新方法能够有效处理动力学奇异问题,减小基座姿态扰动及运动时间。

关键词：空间机器人轨迹规划动力学奇异基座姿态扰动运动时间混沌粒子群优化算法(CPSO)

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺复合自抗扰控制

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控制与决策 2021年第2期36卷 355-362页

作者：艾海平陈力福州大学机械工程及自动化学院福建福州350116

讨论空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击力矩破坏的避撞柔顺控制问题.在机械臂与关节电机之间配置一种弹簧类柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用在于:1)在捕获碰撞阶段,可通过其内置弹簧的变形吸收碰撞产生... 详细信息

讨论空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击力矩破坏的避撞柔顺控制问题.在机械臂与关节电机之间配置一种弹簧类柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用在于:1)在捕获碰撞阶段,可通过其内置弹簧的变形吸收碰撞产生的能量;2)在镇定运动阶段,结合避撞柔顺策略适时开、关电机,以保证关节所受冲击力矩受限在安全范围.首先,应用拉格朗日方法和牛顿-欧拉法分别得到捕获前空间机器人及目标航天器系统动力学方程;然后,结合整个系统动量守恒关系,捕获操作后速度约束关系及力的传递规律,建立捕获后两者形成联合体系统的动力学方程;最后,针对失稳的联合体系统提出一种基于复合误差的避撞柔顺自抗扰控制方案以实现其镇定控制.系统数值仿真结果表明了上述避撞柔顺策略的有效性.

关键词：弹簧类柔顺装置空间机器人捕获航天器操作避撞柔顺控制复合误差自抗扰控制

空间机器人捕获非合作目标后的消旋策略及阻抗控制

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机器人 2018年第5期40卷 750-761页

作者：王明明罗建军王嘉文袁建平西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室陕西西安710072 西北工业大学深圳研究院广东深圳518057

针对空间机器人捕获自旋目标卫星后的消旋与稳定操作提出了一种阻抗控制方法.首先,基于正序链和逆序链方法推导出空间机器人系统在操作空间中的动力学方程.然后,基于归一化时间设计了目标卫星的快速消旋策略,最优消旋时间由末端执行器... 详细信息

针对空间机器人捕获自旋目标卫星后的消旋与稳定操作提出了一种阻抗控制方法.首先,基于正序链和逆序链方法推导出空间机器人系统在操作空间中的动力学方程.然后,基于归一化时间设计了目标卫星的快速消旋策略,最优消旋时间由末端执行器的约束条件决定.最后,基于所推导操作空间下的动力学方程,提出了一种消除目标旋转运动并同时稳定基座的阻抗控制方法.在利用7自由度冗余机械臂消除自旋卫星并稳定其基座的案例中给出了仿真结果,验证了所提方法的性能及有效性.

关键词：空间机器人消旋策略阻抗控制冗余机械臂