漂浮基空间机器人姿态与末端爪手协调运动的反演滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机器人系统的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机器人的运动Jacobi关系及系统动力学方程。以此为基础,借助于反演设计方法,设计出空间机器人载体姿态与机械臂末端爪手协调运动的滑模控制方案。此方案可有效地减少控制系统的在线计算时间,更能满足空间机器人这一时变系统控制的实时、在线要求。数值仿真结果证实了该控制方案的有效性。     

漂浮基空间机械臂的自适应控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基空间机器人系统的控制问题。结合系统动量守恒关系进行的运动学、动力学分析表明,可以得到一组与适当选择的惯性参数呈线性函数关系的、欠驱动形式的系统动力学方程。以此为基础,设计了系统参数未知情况下,由本体姿态期望运动及机械臂末端抓手惯性空间期望运动轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的自适应控制算法,该控制方案的优点在于,不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度。     

自由漂浮空间机器人力矩最优轨迹规划算法

针对自由漂浮空间机器人的轨迹规划问题,提出一种基于粒子群优化算法的机械臂关节角驱动力矩最优轨迹规划算法.首先通过对自由漂浮空间机器人系统的动力学方程进行分析,给出了以机械臂关节角驱动力矩为目标函数的轨迹最优控制算法,并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,结合粒子群优化算法对机械臂关节角轨迹进行优化求解.数值仿真表明,规划出的关节角轨迹平滑连续,在完成自由漂浮空间机器人姿态调整任务的同时,机械臂关节角驱动力矩降至最低.     

基座、臂杆全弹性空间机器人抗死区动态面控制

为了抑制漂浮基空间机器人的弹性基座与柔性臂杆的振动及避免关节力矩输出死区的影响,探讨了基座、臂杆全弹性漂浮基空间机器人系统存在关节力矩输出死区时的轨迹跟踪及双重柔性抑振问题。将弹性基座与臂杆间的连接视为弹簧连接,结合假设模态法,推导出系统的动力学方程。应用奇异摄动方法,将系统分解慢变、快变子系统,分别表示刚性运动、基座弹性与双柔杆振动。对于慢变子系统,针对系统存在死区的情况,设计了基于自适应高斯基模糊的动态面控制器。动态面的引入避免了反演法引起的计算膨胀,减少了计算量;模糊逻辑函数逼近了含有死区误差和外部干扰在内的动力学不确定项;针对快变子系统,采用线性二次型最优控制以抑制基座与双杆的柔性振动并利用Matlab进行仿真验证。仿真结果表明:所设计的控制方案使得基座姿态与两臂杆相对转角收敛到期望角度,基座位移与臂杆的一、二阶振动模态收敛到零。     

基于径向基函数神经网络的空间漂浮机械臂装配控制

针对空间漂浮机械臂在轨装配中动力学模型失准、待装配模块质量特性未知情况下的精确控制问题，本文提出了一种基于径向基函数神经网络补偿控制的装配方法。给出空间漂浮装配机械臂的构型设计及动力学模型描述，设计了一种基于径向基函数神经网络原理的补偿控制率，进行了稳定性与收敛性分析，推导出基于径向基函数神经网络神经网络的空间漂浮基座机械臂装配控制自适应律。不同工况下的在轨装配仿真案例表明：基于径向基函数神经网络原理补偿的控制方法能够控制机械臂末端执行器在未知特性大负载作用下快速准确地跟踪期望轨迹，而不进行补偿时控制器性能下降严重、甚至失效。所提出装配控制方法具有较强的工程实用价值，能为未来空间装配任务提供有效借鉴。     

漂浮基空间机器人关节驱动力矩求解的Newton-Euler正交方法

空间微重力环境下,空间机器人安装基座不固定,机械臂与安装基座之间存在运动学和动力学耦合作用．针对地面机器人的关节力矩计算方法不能直接用于空间机器人的研究中．根据空间机器人自由漂浮状态时系统动量守恒的特点,采用Newton-Euler正交方法构建了满足系统动量守恒约束条件的空间机器人运动曲线法空间与切空间基底,并以此基础得到了自由飘浮状态下的空间机器人关节力矩的显式表达式．最后通过空间二连杆机械臂实例给出了其具体的应用．     

串联旋转关节空间机器人的动力学仿真系统

空间机器人由于基座可以自由运动,增加了自由度,其运动学和动力学模型比地面固定基座机器人要复杂得多,而且低轨航天器受重力梯度影响较大。首先推导了空间机器人的运动学方程,并采用拉格朗日方程建立了正动力学模型,然后基于牛顿-欧拉法推导了空间机器人的耦合动力学方程,给出了动力学非线性项的数值计算方法,还推导了空间机器人在轨运动时的重力梯度力矩。最后,针对一类串联旋转关节的空间机器人,采用模块化设计的思想建立了动力学仿真模型,利用所建仿真模型对空间机器人的操作任务进行数值仿真,分析了重力梯度力矩的影响,提出了减小这些影响的建议。     

空间柔性机器人动力学分析的快速积分算法

以空间柔性机器人为研究对象,分析了机器人柔性多体系统动力学建模过程,研究了根据广义动力学方法所建立的大型微分-代数方程的快速数值积分算法.本文采用Lagrange方法研究了空间柔性机器人的动力学模型,通过判断系统中铰的类型(主动关节和被动关节),建立机器人系统的微分-代数动力学方程,最后采用线性多步积分算法对建立的大型微分-代数方程进行高效率求解. 仿真算例的结果表明,本文研究的线性多步积分算法对求解大型微分-代数方程速度快,效率高,为空间机器人实时动力学仿真打下坚实的基础.     

自由飞行空间机器人的动力学控制及其仿真

基于动量守恒定律和拉格朗日方程,建立了卫星姿态不受控时自由飞行空间机器人(FFSR)的动力学模型,提出了位置调节与轨迹跟踪的动力学控制方法并用计算机仿真验证了所提出的控制方法的有效性。     

多臂自由飞行空间机器人协调操作动力学分析

利用牛顿-欧拉方法分析了多臂自由飞行空间机器人协调操作系统的动力学特性,推导出多臂自由飞行空间机器人协调操作的机械臂铰接连杆间的广义作用力计算方法.通过逐级迭代建立了多臂自由飞行空间机器人系统的动力学方程,进一步得到了驱动电机控制力矩的计算公式.仿真证明多臂自由飞行空间机器人操作的目标物体能够跟踪目标物体的期望位姿.     

空间机器人的可变增益滑模控制方法

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。     

空间机器人遥操作系统设计及研制

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.     

Task space control of free-floating space robots using constrained adaptive RBF-NTSM

Trajectory tracking control of space robots in task space is of great importance to space missions,which require on-orbit manipulations.This paper focuses on position and attitude tracking control of a free-floating space robot in task space.Since neither the nonlinear terms and parametric uncertainties of the dynamic model,nor the external disturbances are known,an adaptive radial basis function network based nonsingular terminal sliding mode(RBF-NTSM)control method is presented.The proposed algorithm combines the nonlinear sliding manifold with the radial basis function to improve control performance.Moreover,in order to account for actuator physical constraints,a constrained adaptive RBF-NTSM,which employs a RBF network to compensate for the limited input is developed.The adaptive updating laws acquired by Lyapunov approach guarantee the global stability of the control system and suppress chattering problems.Two examples are provided using a six-link free-floating space robot.Simulation results clearly demonstrate that the proposed constrained adaptive RBF-NTSM control method performs high precision task based on incomplete dynamic model of the space robots.In addition,the control errors converge faster and the chattering is eliminated comparing to traditional sliding mode control.     

机器人的平面曲线轨迹规划方法

提出了一种满足笛卡尔空间与关节空间混合约束的机器人平面曲线轨迹规划方法.在笛卡尔空间讨论了控制节点的选取,节点间运动时间的分配,以及规划轨迹与要求轨迹的位置偏差和姿态偏差的估计方法;在关节空间讨论了三次样条函数插值及满足关节速度、加速度及力矩约束的方法.根据规划轨迹与要求轨迹偏离情况,非均匀地插入控制节点.通过增加有限的控制节点,有效地控制偏差,减少计算量.给出了完整的平面曲线轨迹规划算法.仿真实例验证了算法的有效性和可行性.     

Enhancing pose accuracy of space robot by improved differential evolution

Due to the intense vibration during launching and rigorous orbital temperature environment, the kinematic parameters of space robot may be largely deviated from their nominal parameters. The disparity will cause the real pose (including position and orientation) of the end effector not to match the desired one, and further hinder the space robot from performing the scheduled mission. To improve pose accuracy of space robot, a new self-calibration method using the distance measurement provided by a laser-ranger fixed on the end-effector is proposed. A distance-measurement model of the space robot is built according to the distance from the starting point of the laser beam to the intersection point at the declining plane. Based on the model, the cost function about the pose error is derived. The kinematic calibration is transferred to a non-linear system optimization problem, which is solved by the improved differential evolution (DE) algorithm. A six-degree of freedom (6-DOF) robot is used as a practical simulation example, and the simulation results show: 1) A significant improvement of pose accuracy of space robot can be obtained by distance measurement only; 2) Search efficiency is increased by improved DE; 3) More calibration configurations may make calibration results better.     

基于多空间混合约束的NAO机器人抓取轨迹规划

为提高NAO机器人手臂抓取物体的可靠性,本论文提出关节空间和笛卡尔空间控制相结合的方法,设计NAO机器人手臂的轨迹进行目标抓取。由于目标大小已知,利用关节空间控制可以预先设定NAO机器人抓取的最佳姿态,即NAO机器人手臂各个关节角度。运用正运动学,计算手臂移动位置。在设定姿态后的位置与目标点之间,利用笛卡尔空间控制进行轨迹规划。实验表明,在NAO坐标系下,手臂抓取范围内该算法能够在给定范围内准确地完成空间抓取目标任务。     

Research on Task Planning Algorithm of Retrieving Invalid Satellite for Free-Flying Space Robot

0INTRODUCTION~CAlthoughspacepresentsusnewfrontierforscienceandmanufacturing,thedangerousenvironmen[bringsgreatthreattomankind.Itisthereforenecessmpforfreeflyingspacerobot(ffoR)toaccomplishextra--vehicularactivity(EVA),suchaschecking,maintaining,repair,serviceandspacestationconstructioninsteadofastronautsintLhefuturespaceresearch.Becausethebaseofspacerobotisnotfixed,movementofthemanipulatorwillcausedistUrbancetoPOsitionandattitUdeofthebase.Thereforebuildingmodelmethodsandcontrolmethods…