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基于状态观测的双臂空间机器人分散容错控制

中国惯性技术学报 2019年第2期27卷 248-254页

作者：雷荣华陈力福州大学机械工程及自动化学院

针对关节执行器发生部分失效故障的双臂空间机器人系统的控制问题,设计了一种基于状态观测器的自适应分散神经网络容错控制器。结合拉格朗日第二类方法建立了空间机器人系统的动力学方程。根据分散理论将空间机器人执行器故障的容错问... 详细信息

针对关节执行器发生部分失效故障的双臂空间机器人系统的控制问题,设计了一种基于状态观测器的自适应分散神经网络容错控制器。结合拉格朗日第二类方法建立了空间机器人系统的动力学方程。根据分散理论将空间机器人执行器故障的容错问题转化为参数不确定的非线性交联系统的自适应控制问题。利用状态观测器得到了系统的角速度信号,通过自适应分散神经网络对系统的不确定项与交联项进行估计。基于Lyapunov函数法给出了观测器与控制器的稳定性判据。数值仿真表明,无论执行器是否发生故障,该控制器均可以在2s内实现高精度的轨迹跟踪控制,且观测器均能精准地估计关节的实际角速度信号,从而验证了理论分析的正确性与算法的可行性。

关键词：空间机器人执行器故障分散理论状态观测器容错控制

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空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法

机器人 2010年第1期32卷 61-69页

作者：徐文福梁斌李成刘宇哈尔滨工业大学空间智能系统研究所黑龙江哈尔滨150001 深圳航天科技创新研究院博士后工作站广东深圳518057

提出了基于立体视觉的空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法,包括图像处理与特征提取、3D重构及位姿测量、自主规划与控制等.同时,还建立了一套仿真系统,可进行包括图像采集、位姿测量、追踪星GNC、空间机器人规划与控制、航天器... 详细信息

提出了基于立体视觉的空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法,包括图像处理与特征提取、3D重构及位姿测量、自主规划与控制等.同时,还建立了一套仿真系统,可进行包括图像采集、位姿测量、追踪星GNC、空间机器人规划与控制、航天器动力学计算等在内的闭环仿真.仿真结果验证了算法的有效性.

关键词：空间机器人非合作目标自主捕获位姿测量路径规划

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空间机器人遥操作系统设计及研制

哈尔滨工业大学学报 2010年第3期42卷 337-342页

作者：王学谦徐文福梁斌李成哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳518055 哈尔滨工业大学空间智能系统研究所哈尔滨150001

针对空间机器人的特点设计了多种遥操作控制模式,提出了空间机器人遥操作分层控制结构LATSR(Layered Architecture for Teleoperation of Space Robot),并研制了一套遥操作系统,包括任务规划子系统、主从控制子系统、预测仿真子系统、... 详细信息

针对空间机器人的特点设计了多种遥操作控制模式,提出了空间机器人遥操作分层控制结构LATSR(Layered Architecture for Teleoperation of Space Robot),并研制了一套遥操作系统,包括任务规划子系统、主从控制子系统、预测仿真子系统、信息处理子系统和地面验证子系统.最后利用该系统开展了多项遥操作实验,对整个系统及各子系统的功能和性能进行了检验.该系统具有灵活的操作接口,既为一般用户提供了简便的用户界面,也为机器人专家提供了底层控制能力.

关键词：空间机器人遥操作预测仿真地面验证遥编程

基于显式力控制的空间机器人抓捕碰撞力控制方法

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中国空间科学技术 2019年第4期39卷 1-10页

作者：方群崔明明西北工业大学航天学院

针对空间机器人抓捕漂浮目标过程中的碰撞力控制问题,建立了空间机器人抓捕目标的动力学模型及与目标接触的接触碰撞模型;分析了手爪闭合速度和目标初始位置等参数对碰撞过程的影响;在此基础上采用任务优先逆运动学求解方法,设计了基于... 详细信息

针对空间机器人抓捕漂浮目标过程中的碰撞力控制问题,建立了空间机器人抓捕目标的动力学模型及与目标接触的接触碰撞模型;分析了手爪闭合速度和目标初始位置等参数对碰撞过程的影响;在此基础上采用任务优先逆运动学求解方法,设计了基于显式力控制的抓捕接触碰撞力控制方法,并对基于外力控制的碰撞力控制方法和基于显式力控制的碰撞力控制方法进行对比分析。结果表明,基于显式力控制的目标抓捕接触碰撞力控制方法能够实现满足平稳性要求的碰撞力控制,且所需的基座推力和关节控制力矩较小。

关键词：空间机器人任务优先方法碰撞模型外力控制接触碰撞力控制

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基于固定时间的空间机器人阻抗控制

控制工程 2024年第5期31卷 801-805页

作者：高鼎峰刘辽雪郭毓南京理工大学自动化学院江苏南京210094

针对在轨装配任务对空间机器人柔顺动作的要求,研究了配备两自由度机械臂的空间机器人固定时间阻抗控制方法。基于固定时间稳定理论,根据空间机器人的运动学和动力学模型,设计了一种固定时间稳定的阻抗控制器,以实现障碍环境下空间机器... 详细信息

针对在轨装配任务对空间机器人柔顺动作的要求,研究了配备两自由度机械臂的空间机器人固定时间阻抗控制方法。基于固定时间稳定理论,根据空间机器人的运动学和动力学模型,设计了一种固定时间稳定的阻抗控制器,以实现障碍环境下空间机器人的柔顺控制。通过构造合适的Lyapunov函数证明了所设计的阻抗控制器的稳定性。仿真结果表明,所设计的固定时间阻抗控制器在保证机械臂实现良好位置跟踪的同时,能够快速顺应环境变化。

关键词：空间机器人运动学模型动力学模型阻抗控制固定时间收敛

面向非合作目标追捕的空间机器人智能运动规划方法研究

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面向非合作目标追捕的空间机器人智能运动规划方法研究

作者：游红北京邮电大学

学位级别：硕士

随着各国航天项目的竞相开展,空间非合作目标数目与日俱增,不仅占用大量轨道资源,还威胁着服役航天器的运行安全。为了降低空间非合作目标的潜在威胁,以保障空间安全及可持续发展,亟需发展有效的空间清理和操控能力。由航天器平台和多... 详细信息

随着各国航天项目的竞相开展,空间非合作目标数目与日俱增,不仅占用大量轨道资源,还威胁着服役航天器的运行安全。为了降低空间非合作目标的潜在威胁,以保障空间安全及可持续发展,亟需发展有效的空间清理和操控能力。由航天器平台和多自由度机械臂构成的空间机器人具有灵巧性高、适应性好、操作能力强等优点,能够完成对目标的接近、抓捕、操控等系列复杂任务,是执行非合作目标“追-捕-控”的首选装备。在任务执行的追捕阶段,目标的非合作特性以及空间机器人自身的高自由度、强耦合特点大大增加了机器人安全自主运动的难度。为提高该阶段空间机器人运动的安全性、灵活性及协同性,开展面向非合作目标追捕的空间机器人智能运动规划方法研究具有重要意义。本课题依托中国空间技术研究院CAST创新基金项目“面向非合作目标围捕的空间集群系统时序运动规划研究”开展研究工作,侧重解决非合作目标追捕任务的近程阶段和超近距阶段空间机器人运动规划问题,主要研究工作如下:首先,考虑空间目标的非合作特性,研究空间非合作目标运动状态识别及预测方法。剖析空间目标机动行为特性,构建机动识别函数,建立目标运动状态识别模型,实现对目标机动的检测及分类;研究基础动力学模型进行轨道预报时的误差变化规律,搭建误差预测模型补偿动力学模型预测值,从而提升动力学模型的预测精度;结合机动识别结果,可实现对目标潜在机动行为的提前预警,为后续空间机器人接近非合作目标的运动规划提供数据支撑。其次,融合运动预测数据,重点研究近程段目标-机器人自主运动规划策略。考虑非合作目标参数的不确定性以及空间机器人自身运动性能限制,设计近程段空间机器人实时运动规划器;针对目标可能采取的机动行为以及数据处理时延,设计融合预测数据的误差修正策略,实现对目标的稳步逼近。仿真实验表明,在目标参数不确定性以及非合作机动的干扰下,运动规划器能够规划推力受限的机器人本体迅速接近目标,二者之间相对位置、相对速度均趋向于零,结合预测数据还能够进一步补偿目标机动和数据传输时延。然后,结合空间机器人基座及搭载机械臂的结构和运动特性,从机械臂的灵巧工作空间、安全运动范围等方面分析空间机器人的适宜捕获区域;依据机器人结构特点将其划分为多个智能体。基于深度强化学习算法设计基臂协同运动规划器,并建立复合型奖励函数。设计“单独训练-集中训练-分布执行”的训练框架,加速决策模型训练以收敛。仿真实验表明,本文所设计的基臂协同规划器能够使得机械臂末端快速逼近、实时跟踪处于不稳定运动状态的非合作目标,且位置误差可控制在3mm以内,姿态误差1°以内。最后,开展面向非合作目标追捕的空间机器人智能运动规划方法联合仿真实验。设计并搭建非合作目标-机器人追捕联合仿真实验平台,分别开展非机动状态下/机动状态下非合作目标追捕联合仿真实验,验证本文所提出运动规划策略的正确性与有效性。

关键词：空间机器人非合作目标机械臂运动规划强化学习

基于递归小脑神经网络模型控制的空间机器人关节抗死区及摩擦控制

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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中国机械工程 2018年第2期29卷 211-217页

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

探讨了存在关节力矩输出死区、摩擦与外部干扰的载体位姿均不受控的漂浮基空间机器人系统的动力学控制问题。设计了一种递归小脑模型关节控制器(CMAC)神经网络与死区估计补偿器,使两关节铰能够跟踪期望运动轨迹。该控制器利用摩擦双观... 详细信息

探讨了存在关节力矩输出死区、摩擦与外部干扰的载体位姿均不受控的漂浮基空间机器人系统的动力学控制问题。设计了一种递归小脑模型关节控制器(CMAC)神经网络与死区估计补偿器,使两关节铰能够跟踪期望运动轨迹。该控制器利用摩擦双观测器估计不可测的内部摩擦状态,利用死区预补偿器消除关节力矩输出死区的影响;应用递归小脑神经网络模型逼近了包含摩擦误差及外部干扰的动力学方程不确定项。仿真结果表明了该控制方法的有效性。

关键词：空间机器人死区 LuGre摩擦递归小脑神经网络模型控制

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空间机器人动力学与控制可视化仿真

航天控制 2014年第1期32卷 79-84页

作者：姚红万江宁杨庆汤亚锋装备学院北京101416

机械臂空间机器人在未来的空间在轨操控服务中具有广阔的应用前景,但对其动力学对象进行建模与仿真是一个难题。本文重点研究机械臂空间机器人动力学对象数字仿真问题,使用SimMechanics工具箱搭建空间机器人动力学的模块化仿真模型,在... 详细信息

机械臂空间机器人在未来的空间在轨操控服务中具有广阔的应用前景,但对其动力学对象进行建模与仿真是一个难题。本文重点研究机械臂空间机器人动力学对象数字仿真问题,使用SimMechanics工具箱搭建空间机器人动力学的模块化仿真模型,在此基础上进行数值仿真分析以及运动过程的三维可视化显示。本文所采用的空间机器人动力学建模方法易于使用,能够较好地解决复杂多体系统的动力学建模问题,所搭建的模型可靠性好且能开展可视化仿真,该建模仿真技术具有较强的应用价值。

关键词：空间机器人轨迹规划可视化仿真 SimMechanics工具箱

全柔性空间机器人运动振动一体化输入受限重复学习控制

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力学学报 2020年第1期52卷 171-183页

作者：付晓东陈力福州大学机械工程及自动化学院福州350116

探究基座、臂、关节全柔性影响下空间机器人动力学模拟、运动控制及基座、臂、关节三重柔性振动主动抑制的问题,设计了不基于系统模型信息的运动振动一体化输入受限重复学习控制算法.将柔性基座与关节等效为线性弹簧与扭转弹簧,柔性臂... 详细信息

探究基座、臂、关节全柔性影响下空间机器人动力学模拟、运动控制及基座、臂、关节三重柔性振动主动抑制的问题,设计了不基于系统模型信息的运动振动一体化输入受限重复学习控制算法.将柔性基座与关节等效为线性弹簧与扭转弹簧,柔性臂视为欧拉-伯努利梁模型,利用拉格朗日方程与假设模态法建立动力学模型,然后,用奇异摄动理论将模型分解为包含刚性变量与臂柔性振动的慢变子系统,包含基座、关节柔性振动的快变子系统,并分别设计相应的子控制器,构成了带关节柔性补偿的一体化控制算法.针对慢变子系统,提出输入受限重复学习控制算法,由双曲正切函数,饱和函数与重复学习项构成,双曲正切函数与饱和函数实现输入力矩受限要求,重复学习项补偿周期性系统误差,以完成对基座姿态、关节铰周期轨迹的渐进稳定追踪.然而,为了同时抑制慢变子系统臂的柔性振动,运用虚拟力的概念,构造同时反映臂柔性振动与系统刚性运动的混合轨迹,提出了基于虚拟力概念的输入受限重复学习控制器,保证基座、关节轨迹精确追踪的同时,对臂的柔性振动主动抑制.针对快变子系统,采用线性二次最优控制算法抑制基座与关节的柔性振动.仿真结果表明:控制器适用于一般柔性非线性系统,满足输入力矩受限要求,实现对周期信号的高精度追踪,有效抑制基座、臂、关节的柔性振动,证实算法的可行性.

关键词：柔性基座柔性臂柔性关节空间机器人输入受限重复学习控制