A review of the end-effector of large space manipulator with capabilities of misalignment tolerance and soft capture

The space manipulator which has advantages of high dexterity and universality, is used to the space capturing usually. According to the different types of mechanical interfaces of targets, the on orbit capturing operation includes capturing of cooperative target and capturing of uncooperative target. The performances of the famous large space manipulators named space shuttle remote manipulator system (SRMS), the space station remote manipulator system (SSRMS) and the Europe robotic arm (ERA) are reviewed and studied respectively. Moreover, the space manipulators being developed by China for space station is also surveyed. Based on the performance analysis of the large space manipulators and end-effectors, which are adapted to the construction and daily maintenance for the large space structure such as the space station, the basic requirements of large misalignment tolerance capability, soft capturing capability and hard docking capability for the end-effector of large space manipulator are proposed in this paper. According to these requirements, the capture mechanism and methods that can enable the end-effector to have the capability of misalignment tolerance and soft capturing are presented. The development trend and key technologies of the large space manipulators and the end-effectors are also reviewed.     

铰接机械手运动和动力参数的转换

变换矩阵用来建立起铰接机械手与传统方法所获得机械手的扭矩,速度,雅各比矩阵及齐次变换矩阵之间的关系。找出在执行机构空间和在关节空间内的扭矩,速度,雅各比齐次变换矩阵之间的关系。一旦得到这一矩阵,用传统公式计算的扭矩及雅各比可变换成铰接机械手的实际扭矩和雅各比。     

冗余度机器人的运动规划碰撞算法

在考虑了操作机的关节极限、自碰撞和静态障碍物的情况下,从给定的初始位形出发,发现一条到末端效应器目标位置和姿态的相连可到达路径。方法给出了机器人操作机点到点逆运动学问题求解算法,利用碰撞算法实现了冗余度机器人运动规划,仿真验证了该方法的有效性,并表明了该方法具有较大的实用价值。     

求解机械手间接位置问题的一种数值方法

本文给出了一种解决机械手间接位置问题的新数值方法。该方法避免了对于非线性方程在列方程、消元时所遇到的困难。能够较容易地求解6R及6R以上的任意结构参数的机械手的间接位置问题。稍加推广,便可对任意结构参数的闭链型7R空间机构进行位移分析。     

一类新型空间并联机器人的构型设计与位置分析

突破了传统并联机器人结构创新设计的思维定势,提出了空间并联机器人构型创新设计的新思路,该设计思路主要包括三个步骤:根据具体设计需求选择合适的平面并联机构,并将其替代传统空间并联机器人的动平台;对选择出来的平面并联机器人进行必要的改进,使其满足并联机器人的一般性设计原则,然后选择适当的支路(或运动链)来连接动、静平台;对设计出来的结果进行分析、判断和优选,得到满足设计要求的新型并联机器人机构.并利用该方法提出了一类新型空间并联机器人机构,该机构具有运动学分析简单、控制方便等优点.     

机械手空间圆弧位姿轨迹规划算法的实现

为提高机械手的空间圆弧作业任务的轨迹精度,提出采用齐次矩阵和四元数法分别进行位置和姿态的轨迹规划方法．对于位置规划,先对空间圆弧所在平面的圆心角做归一化处理,再按照平滑角速度曲线规划位置轨迹上的插值点,并用齐次矩阵表示插补点的位置,保证了插补点的位置始终在所求圆弧上．姿态规划采用四元数圆弧曲线函数以及分段三次有理插值保形样条函数实现C²连续的姿态轨迹．算例验证表明,提出的位姿规划方法能够保证机械手末端执行器的轨迹精度,在位置精度及姿态平稳过渡有较高要求的机械手的实际应用方面有推广价值．     

气动软体自折叠机械臂的驱动和负载性能

提出由气动自折叠机械臂和气动关节构成的全软体空间捕获机器人方案. 基于折纸理论设计气动自折叠机械臂结构初始构型,研究气动自折叠机械臂的驱动特性和负载性能;进行气动机械臂的充气驱动试验,得到气压-伸长量关系曲线;基于非线性有限元法,分析气动机械臂驱动过程的大变形和应力应变分布. 结果表明,充气段和排气段的曲线均呈非线性变化,整个驱动过程的滞回曲线明显,验证了其充气驱动-排气自折叠的驱动特性. 通过负载能力试验和仿真分析,评估气动机械臂的负载能力. 随着设计气压不断变大,拉伸负载能力变小,滞回环变大,而抗压负载能力变大,滞回环变小. 所研究的气动自折叠机械臂为实现全软体空间捕获机器人提供技术支撑.     

Hardware-in-the-Loop Simulation System for Space Manipulator Docking: Model, Stability and Experimental Evaluation

A manipulator-type docking hardware-in-the-loop (HIL) simulation system is proposed in this paper, with further development of the space docking technology and corresponding requirements of the engineering project. First, the structure of the manipulator-type HIL simulation system is explained. The mass and the flexibility of the manipulator has an important influence on the stability of the HIL system, which is the premise of accurately simulating actual space docking. Thus, the docking HIL simulation models of rigid, flexible and flexible-light space manipulators are established. The characteristics of the three HIL systems are studied from three important aspects: the system parameter configuration relation, the system stability condition and the dynamics frequency simulation ability. The key conclusions obtained were that the system satisfies stability or reproduction accuracy. Meanwhile, the influence of different manipulators on the system stability is further analyzed. The accuracy of the calculated results is verified experimentally.     

带空间机械臂的航天器三维姿态运动控制

航天器系统在忽略外力矩作用时,系统对总质心的角动量矩守恒使其成为非完整系统.利用这一特性讨论了带空间机械臂的刚体航天器三维姿态运动的控制问题.栽体姿态引入Calay参数,导出带空间机械臂的刚体航天器姿态运动的数学模型,利用遗传算法进行优化控制计算.通过数值仿真,表明该方法对航天器姿态控制是有效的.     

基于RMDM的双臂自由飞行空间机器人姿态控制算法

在Ｄｕｂｏｗｓｋｙ提出的增强干扰图基础上，提出了一个新的受限最小干扰图ＲＭＤＭ的计算方法，以减少计算ＥＤＭ图所需的时间和存储ＥＤＭ图所需的空间，并在此基础上，提出了基于ＲＭＤＭ图的姿态控制算法。这种姿 态控制方法可以保证机器人的本体净 机械手的运动过程中保持不变。     

双操作臂的耦合误差同步协调控制

为了对具有不确定性参数的双操作臂机器人系统进行协调控制,在同步控制基础上引入包含位置误差和同步误差的耦合误差,提出一种能够自适应校正系统参数的同步控制策略,并利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的全局稳定性.对2个二自由度操作臂机器人进行协调搬运实验研究,结果表明,该控制方法使双操作臂系统在协调运动过程中单操作臂的位置误差和双操作臂间的同步误差均收敛于零,实现了在单操作臂按期望轨迹运动的同时保证双操作臂间的运动同步,验证了所提策略对双操作臂同步协调控制的正确性和有效性.     

基于铰链结构的机械臂操作柔性负载系统建模与控制

基于铰链结构研究了机械臂协调操作柔性负载系统的动力学建模与控制问题。提出了虚拟连杆的概念,以虚拟连杆为基准运用有限元法与拉格朗日方程建立了柔性负载的运动方程和振动方程,在负载坐标空间建立了系统的动力学模型。针对振动状态的不可测量性,应用刚性控制规律设计了控制器,给出了一种补偿系统动力学对位置控制影响的方法。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于铰链结构的机械臂操作柔性负载系统建模与控制

基于铰链结构研究了机械臂协调操作柔性负载系统的动力学建模与控制问题。提出了虚拟连杆的概念,以虚拟连杆为基准运用有限元法与拉格朗日方程建立了柔性负载的运动方程和振动方程,在负载坐标空间建立了系统的动力学模型。针对振动状态的不可测量性,应用刚性控制规律设计了控制器,给出了一种补偿系统动力学对位置控制影响的方法。仿真结果验证了该方法的有效性。     

Inverse Kinematics Analysis of a 7-DOF Space Manipulator for Trajectory Design

To solve the inverse kinematics problem for redundant degrees of freedom (DOFs) manipulators has been and still continues to be quite challenging in the field of robotics. Aiming at trajectory planning for a 7-DOF space manipulator system, joint rotation trajectories are obtained from predetermined motion trajectories and poses of the end effector in Cartesian space based on the proposed generalized inverse kinematics method. A minimum norm method is employed to choose the best trajectory among available trajectories. Numerical simulations with the 7-DOF manipulator show that the proposed method can achieve the planned trajectory and pose under the circumstances of minimum angular velocities. Moreover, trajectory results from the proposed kinematics model and inverse kinematics method has the advantages of simple modelling, low computation cost, easy to solve and plan trajectory conveniently. The smooth and continuous joint rotation functions obtained from the proposed method are suitable for practical engineering applications.     

ZrO2陶瓷颗粒在激光作用下组织形貌演变规律

基于Chebyshev扩张函数的空间机械臂区间运动精度可靠性分析

魏娟，张建国，杜小松

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100083）

创新点说明：

本文提出了Chebyshev扩张函数（CIF）来逼近参数激励系统的动态响应函数，然后基于机构可靠性分析方法和区间不确定性模型评估了空间机械臂的运动精度可靠性（MAR）。

研究目的：

1）空间机械臂的运动精度可靠性受设计变量的影响，空间机械臂部分设计变量为区间变量；

2） 运动精度可靠度与设计变量之间的关系通常是隐式的。

研究方法：

1）运用Chebyshev扩张函数（CIF）来逼近参数激励系统的动态响应函数；

2）基于机构可靠性分析方法和区间不确定性模型评估了空间机械臂的运动精度可靠性（MAR）；

3）运用双连杆机械臂案例，连杆的长度和力矩为区间变量，计算速度的精度可靠性。计算结果与蒙特卡洛方法计算的结果进行对比。

结果：

与传统的蒙特卡罗模拟（MCS）相比，所提出的方法需要更少的样本以获得更准确的可靠性。

结论：

本文提出一种基于CIF的MAR分析方法，用于涉及区间不确定参数的机械手。在该方法中，应用CIF来估计区间函数的界限，并控制区间运算中的高估。CIF方法可以量化区间不确定性信息对柔性机械手的动态响应的影响。基于非概率可靠性理论，预测了双连杆柔性机械臂的MAR。为了验证CIF方法，应用MCS方法来计算MAR。作为自然结果，所提出的方法可以用纯间隔参数模拟柔性机械手的动力学。双连杆机械手的情况表明，该方法可有效解决纯间隔参数的不确定性问题。最后，通过使用全局灵敏度分析进行对灵敏度进行分析以促进优化设计。

关键词：空间机械臂，运动精度可靠性，区间理论，Chebyshev扩张函数 (CIF)

     

基于决策树与模糊神经网络的双机协调控制设计

在两个巨型操作装备夹持一个工件水平操作时,需要对其协调控制,以防止对工件的损伤。本文将协调控制过程整体设计为决策和执行两层,首先用适应于过程辨识的模糊神经网络为决策树提供对象模型,然后设计了分类结果为模糊隶属度的针对时间有序的决策树,为双机提供上层协调策略,并为单机控制器提供了输入,最后由模糊神经网络控制器根据决策树的分类决策执行单机控制,从而完成整个双机的协调控制过程。通过双操作机仿真及双液压缸实验与被动柔顺及PID控制进行了对比,均证明了该方法更优越。     

空间机械臂姿态运动规划的粒子群方法

空间自由漂浮的航天器系统在忽略外力矩的作用时,系统因对总质心的角动量矩守恒而成为非完整系统.基于这样的特性,讨论了带双臂航天器姿态运动的控制问题.利用粒子群算法确定最优控制输入信号,得到了系统非完整运动的优化轨迹.通过数值仿真,表明该算法解决空间机械臂非完整运动规划问题是有效的.     

Obstacle Avoidance Method for a Redundant Manipulator Based on a Configuration Plane

This paper presents a novel approach of obstacle avoidance for redundant manipulators, which is challenging with the considerations of the building of universal kinematics, the formation of dynamics, and the generation of trajectories. A universal approach to deal with obstacle avoidance for the redundant manipulator, that is based on the configuration plane, is presented. The paper also examines common serial robot configurations and introduces a method for classification, partitioning, simplification, and forms of expression used in the workspace to define the configuration plane. This relatively new method is combined with a weighted space vector method to match the configuration plane and solve the inverse kinematics problem. The proposed planner is demonstrated with examples, in which the proposed planner is shown to be capable of providing a smoother trajectory.     

双柔性机械臂多刚体模拟的动力学建模

根据工程实际的需要,采用有限段方法建立了柔性臂的多刚体离散模型,提出双臂协调操作所需满足的约束条件,用凯恩方程建立了多刚体模拟的双柔性臂系统的动力学方程.     

空间机械手捕捉目标的运动控制策略

首先讨论了空间机械手的运动特点及其各自由工作空间的划分。在此基础上，研究了空间机械手捕捉静态和运动目标的运动控制问题，提出了在各种情况下的运动控制策略，并通过计算机仿真进行了验证。所提出的运动控制策略充分利用了空间机械手的非完整冗余性，使空间机械手能在最大可达空间内进行捕捉目标操作。