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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

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空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺无源神经网络H∞控制

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光学精密工程 2020年第3期28卷 717-726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

研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受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配置了一种柔顺机构--旋转型串联弹性执行器(RSEA),可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产... 详细信息

研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受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配置了一种柔顺机构--旋转型串联弹性执行器(RSEA),可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量;结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型;之后,结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型,并计算了碰撞过程的冲击力矩;最后,基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明,配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩,最小也可减小47.8%;而在镇定运动阶段,各关节冲击力矩均受限在安全范围内,实现了对关节有效地保护。

关键词：柔顺机构空间机器人捕获航天器操作无源性理论避撞柔顺控制神经网络鲁棒H∞控制

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全弹性空间机器人捕获航天器操作动力学建模及基于干扰观测器的镇定、振动有限时间控制研究

全弹性空间机器人捕获航天器操作动力学建模及基于干扰观测器的镇...

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第十二届多体动力学与控制暨第七届航天动力学与控制和第十...

作者：艾海平于潇雁陈力江西理工大学能源与机械工程学院福州大学机械工程及自动化学院

随着人类太空探索活动的深入,因故障等原因失效的航天器日益增多,考虑空间资源的宝贵及失效航天器回收的经济价值,空间机器人在轨捕获操作技术的研究成为航天领域的重要发展方向。而由于发射技术与发射费用等原因,空间机械臂的杆件多是... 详细信息

随着人类太空探索活动的深入,因故障等原因失效的航天器日益增多,考虑空间资源的宝贵及失效航天器回收的经济价值,空间机器人在轨捕获操作技术的研究成为航天领域的重要发展方向。而由于发射技术与发射费用等原因,空间机械臂的杆件多是手臂长、质量轻、负载大,因此机械臂具备较大柔性。此外,应用谐波驱动引起的关节弹性与弹性导轨引起的基座弹性也不容忽视。上述多重弹性构件引起的振动是影响空间机器人高精度、稳定性作业的重要因素。因此对于空间机器在轨捕获操作的动力学与控制研究,必须对臂杆柔性、关节弹性、基座弹性加以考虑。针对臂杆、关节、基座全弹性影响下的空间机器人在轨捕获航天器的镇定、振动控制问题,提出了一种基于干扰观测器的有限时间镇定运动控制策略。首先,基于拉格朗日第二类方程建立全弹性空间机器人系统捕获操作前的动力学模型,同时运用牛顿-欧拉法得到目标航天器的动力学模型;之后,结合全系统动量守恒关系,捕获后系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型,并计算了碰撞过程的冲击效应。其次,基于奇异摄动理论对系统刚性运动、关节弹性振动、基座弹性振动与柔性臂柔性运动进行解耦,建立了系统的奇异摄动模型。为实现慢变子系统的运动镇定,提出了一种基于干扰观测器的有限时间滑模控制器。所提方法可对系统扰动项实现有限时间内的估计,进而较快的实现失稳混合体系统的镇定;同时,结合虚拟力以实现柔性臂的振动抑制。针对快变子系统,采用线性二次型最优控制以抑制弹性基、弹性关节的振动。数值仿真结果表明,所提控制算法可实现失稳混合体系统的镇定及弹性振动的有效抑制。

关键词：全弹性空间机器人捕获航天器操作动力学建模镇定、振动一体化控制有限时间控制

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