空间机械臂在平衡状态流形上的小振动与稳定性

研究了一类空间自由飘浮的平面2R机械臂在平衡状态流形上的小振动稳定性。考虑动量矩守恒具有非完整约束性质,建立了考虑控制力矩作用的非完整动力学方程。在小振动的条件下把系统的动力学方程线性化,然后根据赫耳维茨判据研究了该系统在平衡状态的流形上的稳定性条件。仿真结果表明,系统在平衡状态流形上的小振动一般是不稳定的,只在特定初值下存在少量稳定的平衡状态流形。考虑到系统具有复杂的非线性,在稳定流形和不稳定流形之间可能存在复杂的穿插和其他非线性现象。     

漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑模控制及双重柔性振动主动抑制

讨论受到外部干扰影响的参数不确定的漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学建模过程、运动控制律设计和关节、臂双重柔性振动的主动抑制问题。利用动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法建立系统动力学方程。基于奇异摄动法,将系统分解为相互独立的三个子系统:慢变子系统、快变子系统1和快变子系统2。针对慢变子系统提出一种饱和鲁棒模糊滑模控制律来补偿不确定参数、柔性关节引起的转角误差以及外部干扰的影响,从而实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪。饱和函数的运用可减弱滑模控制自身的抖振;针对快变子系统1设计一种速度差值反馈控制器来抑制柔性关节引起的系统柔性振动;针对快变子系统2采用线性二次型最优控制器来抑制柔性臂引起的系统柔性振动。仿真试验证明所提出的混合控制律的有效性。     

Optimal Motion Planning of the Space Manipulator for Minimum Reaction Torque to Satellite

卫星本体最小扰动的空间机械臂最优轨迹规划

徐智强,曾祥鑫,李景慧,贾兆岩

（中国兵器工业集团航空弹药研究院有限公司,哈尔滨150030）

摘要：

针对自由漂浮空间机器人机械臂的运动过程会对卫星本体姿态产生较大扰动的问题,本文提出基于hp-自适应高斯伪谱法的路径规划方法。该方法以卫星本体的最小反作用力矩为目标函数,自适应地确定每段的分段数和多项式阶数,以此来提高求解精度和求解效率。同时,创新性地证明了所设计方法的理论收敛性,保证了离散化非线性规划问题的解是原优化问题的最优解。对平面二自由度空间机械臂的仿真结果表明,该方法比分解加速度控制（RAC）方法和控制变量参数化（CVP）方法更有效,并且在计算速度和配点数量上都优于其他伪谱方法。

关键词：自由漂浮空间机器人;hp-自适应高斯伪谱法;路径规划;非线性规划

     

基于RBF神经元网络的漂浮基空间机械臂关节运动自适应控制方法

讨论了栽体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基空间机械臂关节运动的控制问题.由拉格朗日第二类方法及系统动量、动量矩守恒关系,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程.以此为基础,借助于RBF神经网络技术、Ge-Lee(GL)矩阵及其乘积算子定义,对漂浮基空间机械臂进行了神经网络系统建模;针对空间机械臂系统所有惯性参数均未知的情况,设计了漂浮基空间机械臂关节运动的自适应神经网络控制方案.提出的控制方案不要求系统动力学方程具有通常的关于惯性参数的线性性质,且无需预知系统惯性参数的任何信息,也无需对神经网络进行离线训练、学习,此外,由于充分利用了空间机械臂的系统动力学特性,因此在控制过程中不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度、移动加速度以及姿态转角的角速度、角加速度.一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真证实了该方案的有效性.     

基于控制变量参数化方法的自由漂浮空间机器人路径规划研究

针对自由漂浮空间机器人传统路径规划方法对基座卫星扰动较大的问题,提出了一种基于控制变量参数化的路径规划方法。该方法将路径规划问题转化成以基座姿态扰动最小为目标函数并满足一系列约束条件的最优控制问题,并采用控制变量参数化方法进行离散化处理,将最优控制问题转化成求解非线性规划问题,并给出了完整的理论收敛性证明,从而准确地估计出自由漂浮空间机器人末端执行器的最优路径。仿真结果表明,与传统的分解加速度方法相比,该方法得到的运动路径所引起的基座卫星姿态扰动为0.104rad,相比传统方法降低了17.53%,验证了所提路径规划方法的有效性与最优性。     

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.     

双臂空间机器人惯性空间轨迹跟踪的鲁棒混合自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控情况下,漂浮基双臂空间机器人系统跟踪惯性空间轨迹的控制问题。为了克服空间机器人系统控制方程关于惯性参数的非线性性质,空间机器人被表示为欠驱动系统,保持了系统动力学方程关于惯性参数的线性关系;对系统的运动学分析表明,联系机械臂末端抓手运动线速度与机器人关节铰速度的Jacobi关系也可以通过增广向量的处理,得到保持惯性参数线性关系的增广广义Jacobi关系。基于以上结果,针对系统参数不确定的情况下,设计了自由漂浮双臂空间机器人跟踪惯性空间期望轨迹的鲁棒混合自适应控制方案。由于在上述系统运动学、动力学分析中耦合了系统动量守恒关系,所提出的控制方案具有不需要测量、反馈机器人载体位置、移动速度、加速度的优点;同时,由于上述控制方案仅在参考速度、加速度的计算中采取了参数调节方式,而在控制部分对不确定参数采用了保持鲁棒性的方法,有效地减少了计算量,有助于缓解空间机器人机载计算机运算能力有限的矛盾。通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,验证了算法的有效性。     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

自由浮动冗余度空间机器人的姿态稳定控制

研究了自由浮动冗余度空间机器人的姿态稳定控制问题。针对自由浮动空间机器人姿态稳定控制的主要特点,通过分析自由浮动冗余度空间机械臂惯性矩阵的伪逆和零空间特性,结合空间机器人的运动学方程推导出了基于本体姿态稳定的广义雅可比矩阵。采用基于该矩阵的分解运动速度控制方法,保证机械臂末端执行器在跟踪期望轨迹的同时不对本体姿态产生干扰。最后,对平面三自由度空间机器人进行了仿真实验,实验结果表明了该方法的有效性。     

自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪控制

引起针对自由漂浮柔性空间机器人的轨迹跟踪控制问题,利用拉格朗日和假设模态法建立了动力学模 型,综合考虑其欠驱动、柔性振动等特点,将其简化为一种带有柔性振动扰动完全可控的动力学模型;在此基 础上,考虑载体姿态干扰,提出一种改进自适应非奇异终端滑模控制策略,该方法采用自适应技术实时在线 学习扰动参数,并引入条件积分改进滑模面消除干扰的稳态误差,从而保证所设计的控制律对扰动具有 良好的鲁棒性;最后,基于Lyapunov方法证明了该控制策略能够实现关节期望轨迹的跟踪．仿真结果表明该 控制策略对载体姿态干扰下系统轨迹跟踪控制的有效性和可靠性