摘要：空间机器人捕获卫星操作过程中不可避免地会与卫星接触、碰撞,此过程中若未对其关节进行有效的保护,很容易造成捕获操作失败,因此提出在各关节电机与机械臂之间添加一种弹簧阻尼机构,该机构不仅能够实现碰撞冲击能量的吸收及柔性振动的抑制,还能配合设计的柔顺策略实现捕获操作的柔顺化。分别利用含耗散力Lagrange方程与Newton-Euler方程导出了碰撞前的双臂空间机器人与卫星分体系统动力学方程;结合Newton第三定律、捕获点的速度及闭链几何约束获得了捕获完成后的混合体系统动力学方程,且通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力;基于障碍Lyapunov函数设计了一种状态约束控制方法,实现了轨迹的高精度跟踪;采用模糊自适应控制器对系统的不确定项进行拟合,解决了系统参数不确定的影响。通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性,并利用数值模拟验证了缓冲机构的抗冲击性能及所提柔顺策略的有效性。

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。

摘要：利用空间机械臂进行在轨组装、维护、燃料加注等已成为必然趋势,而插、拔孔操作是实现上述任务的基础。讨论了空间机械臂在轨插、拔孔操作的阻抗控制问题。首先,建立了载体位置、姿态均不受控下,空间机械臂在轨插、拔孔操作过程系统动力学方程;由末端部件插头位姿及其输出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。在此基础上,针对系统同时存在动力学不确定与外部扰动的情况,基于事件触发机制,设计了空间机械臂在轨插、拔孔操作事件触发滑模阻抗控制策略;并通过李雅普诺夫理论,证明了控制系统的稳定性。该控制策略的作用机理即:当系统保持稳定时,控制输入不更新;当系统趋于不稳定时,控制输入更新。由于不必时时更新控制律,系统内部传输及计算的数据量较少,更适于空间站计算机运算、存储能力有限的情况。系统数值仿真,验证了上述控制策略的有效性。

摘要：针对漂浮基空间机器人双臂夹持捕获航天器过程的冲击效应及其后镇定运动的力/位置控制问题,本文提出了一种基于无源性理论的模糊控制方案。依据多刚体系统动力学理论,获得了捕获前双臂空间机器人及目标航天器的动力学模型;应用系统动量守恒关系,捕获后闭链系统运动几何关系及力的传递规律,分析了捕获接触、碰撞过程对闭链系统产生的冲击效应,并进而建立了捕获操作完成后两者形成的闭链混合体系统动力学方程。以此为基础,针对非合作航天器带来的系统建模误差及扰动,基于无源性理论并结合速度观测器,设计了捕获操作后闭链混合体系统夹持操作的镇定运动力/位置模糊滑模控制方案。结果表明:提出的方案无需实际测量相关速度信号,并具有基于无源性理论所设计控制方案本身秉承的良好动态特性及较强的鲁棒性;可以有效抵御捕获操作引起的较强冲击效应对控制系统的干扰,快速实现闭链混合体系统的运动镇定。系统数值模拟仿真结果验证了所提控制方案的正确性。

摘要：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。

摘要：针对载体位置不控、姿态受控的空间机器人存在执行机构失效及偏置故障的轨迹跟踪问题,设计基于固定时间收敛的主动容错滑模控制算法.首先结合拉格朗日法推导出包含力矩偏置及力矩失效故障的空间机器人系统动力学方程;其次,为消除故障对系统稳定性的影响,引入扩张状态观测器以实现对故障的动态观测,并在此基础上设计基于固定时间收敛滑模控制器以实现主动容错控制;最后进行仿真验算.结果表明,所提方法的收敛时间与系统初始状态无关,仅需调节控制参数即可保证系统轨迹在固定时间内收敛.同时,该算法可对故障进行精确观测,并在失效故障和偏置故障发生时保证系统轨迹精确跟踪及稳定控制,相较于其他算法收敛时间更短、稳态误差更小、拥有出色的故障观测能力和更强的容错控制能力.

摘要：研究了漂浮基空间机器人捕获非合作航天器过程对系统产生的冲击效应及其后联合体系统镇定运动的控制问题。为此,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动力学模型;结合动量守恒定律、系统运动几何关系及力的传递规律,分析了捕获过程相互碰撞所产生的冲击效应,建立了捕获完成后两者联合体的系统动力学模型。在此基础上,针对同时存在不确定参数及外部扰动的联合体系统,设计了基于无源性理论的镇定运动神经网络H_∞鲁棒控制算法。本文提出的基于无源性理论设计的鲁棒控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可快速完成系统的镇定控制,实现轨迹的精确跟踪。系统数值模拟仿真验证了本文控制方案的正确性。

摘要：针对空间机器人双臂捕获非合作航天器过程中避免关节受冲击破坏的避撞从顺控制问题,在机械臂与关节电机之间设计了一种由旋转型串联弹性执行器(RSEA)构成的弹簧缓冲装置.通过缓冲弹簧变形来吸收捕获碰撞阶段产生的冲击能量,并采用合理的避撞从顺控制策略,保证镇定运动阶段关节受到的冲击力矩限制在安全范围内.应用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法,分别建立捕获前双臂空间机器人开环系统及航天器系统动力学模型;结合冲量定理、闭链系统位置及运动学关系,得到捕获操作后两者所构成闭链混合体系统的动力学模型.为实现失稳混合体系统的镇定,提出了一种基于无源性理论的自抗扰避撞从顺控制方案.此外,运用最小权值范数法对机械臂各关节力矩进行分配,保证了各臂协调操作.通过数值模拟,验证了缓冲装置的抗冲击性能及控制策略的有效性.

摘要：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.

摘要：讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受冲击及过载破坏的避撞柔顺控制问题。在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用一是在捕获阶段,通过其内置弹簧的变形来缓冲捕获过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;二是在捕获完成后的镇定运动阶段,结合所设计的避撞柔顺策略来适时开关关节电机以保证关节冲击力矩受限在安全范围。首先,根据拉格朗日法及牛顿-欧拉法分别建立了含柔顺装置空间机器人与目标卫星系统的动力学方程;之后,结合整个系统动量守恒关系、系统运动几何及位置约束关系,建立了捕获操作后两者形成混合体系统的动力学方程。在此基础上,针对捕获操作后不稳定的混合体系统,提出了一种基于无源性理论的避撞柔顺模糊控制方案以实现其镇定控制。最后,通过仿真实验验证了所提避撞柔顺策略的有效性。