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基于伪谱法的自由漂浮柔性空间机器人姿态运动规划与反馈控制

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振动与冲击 2019年第7期38卷 20-27页

作者：姚其家戈新生北京信息科技大学机电工程学院北京100192

研究自由漂浮柔性空间机器人的动力学建模与姿态控制问题。针对初始状态不确定性对系统姿态造成的影响,提出一种基于伪谱法的运动规划与反馈控制相结合的姿态控制策略。利用假设模态法近似描述柔性臂杆的弹性变形,并利用Lagrange方法建... 详细信息

研究自由漂浮柔性空间机器人的动力学建模与姿态控制问题。针对初始状态不确定性对系统姿态造成的影响,提出一种基于伪谱法的运动规划与反馈控制相结合的姿态控制策略。利用假设模态法近似描述柔性臂杆的弹性变形,并利用Lagrange方法建立空间机器人系统的动力学模型。在运动规划方法的设计中,利用Legendre伪谱法将空间机械臂非完整运动规划问题转化为非线性规划问题,再利用序列二次规划算法求解此非线性规划问题得到系统的优化运动轨迹和最优控制输入。在反馈控制方法的设计中,将状态方程在已知的参考轨迹上线性化处理,利用Pontryagin极大值原理将对参考轨迹的跟踪问题转化为两点边值问题,再利用Legendre伪谱法离散此两点边值问题,将其转化为线性代数方程组进行求解,该过程无需任何积分计算,具有很好的实时性。通过数值仿真验证了姿态控制策略的有效性和鲁棒性。

关键词：运动规划空间机器人最优控制反馈控制 Legendre伪谱法

基于柔性机构捕捉卫星的空间机器人动态缓冲从顺控制

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力学学报 2020年第4期52卷 975-984页

作者：艾海平陈力福州大学机械工程及自动化学院福州350116

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... 详细信息

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.

关键词：柔性机构空间机器人捕获操作缓冲从顺控制动态面控制

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空间机器人协调控制全物理仿真设计与验证

空间控制技术与应用 2015年第2期41卷 30-35页

作者：王颖韩冬刘涛北京控制工程研究所北京100190 空间智能控制技术重点实验室北京100190

机械手在空间运动时,对卫星本体会产生干扰,卫星本体采用协调控制方法,减少机械手运动对本体的影响.设计基于气浮台的全物理仿真试验系统,通过气足漂浮支撑机械手和三自由度气浮台,来模拟卫星在空间微重力环境下一个平面内的协调控制运... 详细信息

机械手在空间运动时,对卫星本体会产生干扰,卫星本体采用协调控制方法,减少机械手运动对本体的影响.设计基于气浮台的全物理仿真试验系统,通过气足漂浮支撑机械手和三自由度气浮台,来模拟卫星在空间微重力环境下一个平面内的协调控制运动,采用星上部件、控制器和控制软件,对协调控制进行了验证.

关键词：空间机器人协调控制全物理仿真试验系统

基于时延估计的空间机器人无模型姿态解耦控制

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宇航学报 2021年第9期42卷 1150-1161页

作者：张鑫刘金国中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169

针对空间机器人的基—臂姿态耦合问题,提出一种基于时延估计(TDE)的无模型解耦控制方法,以实现机械臂与基体的协调运动。首先,采用复合刚体动力学建模方法建立系统动力学模型。然后,分析动力学耦合特性,从多输入多输出(MIMO)角度出发,... 详细信息

针对空间机器人的基—臂姿态耦合问题,提出一种基于时延估计(TDE)的无模型解耦控制方法,以实现机械臂与基体的协调运动。首先,采用复合刚体动力学建模方法建立系统动力学模型。然后,分析动力学耦合特性,从多输入多输出(MIMO)角度出发,设计基于时延估计的无模型解耦控制器,实现机械臂关节轨迹精准跟踪与基体姿态稳定控制。最后,采用数值仿真方式,对比经典的基于模型解耦控制方法,即计算力矩控制(CTC),结果表明基于时延估计的无模型控制方法不仅效率更高,且解耦效果更好。

关键词：空间机器人基—臂姿态耦合时延估计(TDE) 复合刚体动力学建模方法无模型解耦控制器

基于三自由度气浮台的空间机器人灵巧操作地面模拟研究

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基于三自由度气浮台的空间机器人灵巧操作地面模拟研究

作者：王思越沈阳理工大学

学位级别：硕士

随着航空航天技术的不断发展,空间操作技术已经逐渐由空间机器人代替操作,这样极大地降低了宇航员的工作量与工作时可能产生的危险。近年来,由于我国对空间机器人项目的大力支持和各科研团队的不懈努力,我国进一步推进了航空航天自动化... 详细信息

随着航空航天技术的不断发展,空间操作技术已经逐渐由空间机器人代替操作,这样极大地降低了宇航员的工作量与工作时可能产生的危险。近年来,由于我国对空间机器人项目的大力支持和各科研团队的不懈努力,我国进一步推进了航空航天自动化的进程。对此,本文在查阅了大量国内外相关领域的文献下,针对空间辅助机器人AAR-2进行了基于三自由度气浮台的灵巧操作研究。本文首先对气浮台进行了三自由度硬件改装,使用三自由度气浮台作为地面微重力环境搭建的工具,通过在气浮台上搭建的控制系统使得整个实验系统获得三自由度移动、旋转的能力。随后对三自由度气浮台进行了运动公式分析和动力学建模。然后,对三自由度气浮台的移动控制方法进行了研究,对PID神经网络进行了Momentum和RMSprop方法改进,加快了神经网络中梯度下降法的迭代速度,让气浮台能够以更高的精度追踪运动曲线。在解决了系统的移动控制问题后我们对五指灵巧手进行了结构设计、手指的正逆运动学分析以及工作空间解析,并针对直线伺服电机驱动的五指灵巧手设计了基于位置闭环的导纳控制,实现了灵巧手的主动柔顺控制,避免对所抓握物体或手指造成伤害。在最后的灵巧抓取实验部分,介绍了实现控制系统的上位机与下位机的开发设计流程,与此同时,我们为搭载了五指灵巧手的空间辅助机器人AAR-2加装三自由度气浮台微重力模拟环境,通过改进的PID神经网络控制器与基于位置闭环导纳控制器,使得空间机器人能够平稳运动到指定位置,在确认到达目标位置后选择灵巧操作模式:(1)按照对应的开关类型进行灵巧操作(上位机操作)。(2)对视觉摄像头所采集的实时手指状态进行跟踪。通过实验与仿真验证了控制结构与控制算法的可行性。

关键词：三自由度气浮台 PID神经网络灵巧手导纳控制空间机器人

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空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制

航空学报 2010年第3期31卷 632-637页

作者：魏承赵阳田浩哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001

提出了动态抓取域用于空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。首先建立了空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入... 详细信息

提出了动态抓取域用于空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。首先建立了空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入了末端装置抓取目标时的碰撞模型,并提出了"动态抓取域"用于机械臂抓取目标时的控制,同时应用关节主动阻尼控制,以减小抓取碰撞激振对空间机器人冲击的影响。结果表明:在相同抓取时间下,加速抓取明显优于匀速抓取,碰撞力振幅减小至匀速抓取时的20%,对空间机器人的激振冲击明显消除,仅在抓取结束前有小幅激振。这对空间机器人的抓取控制有着重要的理论价值及工程实际意义。

关键词：空间机器人捕获目标动态抓取域抓取控制主动阻尼控制动力学模型

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空间机器人连续运动轨迹控制建模和仿真研究

机器人 2008年第5期30卷 410-415页

作者：李华忠梁永生洪炳熔深圳信息职业技术学院软件工程系广东深圳518029 哈尔滨工业大学计算机科学与工程系黑龙江哈尔滨150006

基于地面机器人常用的D-H建模方法和空间机器人(SR)满足的动量守恒和角动量守恒原理,提出了SR连续运动轨迹控制建模算法.首先基于地面机器人雅可比矩阵的思想和D-H法,建立了适用于空间机器人的运动学模型;其次研究了空间机器人的广义雅... 详细信息

基于地面机器人常用的D-H建模方法和空间机器人(SR)满足的动量守恒和角动量守恒原理,提出了SR连续运动轨迹控制建模算法.首先基于地面机器人雅可比矩阵的思想和D-H法,建立了适用于空间机器人的运动学模型;其次研究了空间机器人的广义雅可比矩阵计算及其连续运动轨迹控制的有效算法;最后通过计算机仿真验证了所提出算法的有效性.本文基于D-H方法的SR概念模型和运动学模型可推广到包含旋转关节和平移关节的树型结构链杆的任何SR.

关键词：空间机器人运动学建模轨迹控制广义雅可比矩阵

一种空间机器人双臂捕获卫星减撞柔顺控制方法

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中国惯性技术学报 2020年第4期28卷 543-550页

作者：曾晨东陈力福州大学机械工程及自动化学院福州350108

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... 详细信息

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。

关键词：空间机器人双臂捕获卫星操作缓冲装置速度重构减撞柔顺控制

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

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力学学报 2019年第4期51卷 1156-1169页

作者：朱安陈力福州大学机械工程及自动化学院

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... 详细信息

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.

关键词：柔顺机构空间机器人双臂捕获卫星操作力学模拟避撞柔顺控制