空间网状捕获接口的等效抓捕控制

在空间大型机械臂在轨抓捕过程中,其关节柔性及长臀杆的变形会产生较大的末端跟踪及定位误差,因此很难实现成功抓捕.为此,本文研制了一种空间应用的网状捕获对接接口,提高了大臂末端执行器在大定位误差下的抓捕能力.同时,为了提高末端执行器与目标之间的非相对零速情况下的抓捕性能,利用等效抓捕的思想避开了抓捕过程中捕获接口对目标抓钩纠偏力建模复杂的问题,将问题简化为对目标抓钩端点在捕获面上投影的位置跟踪问题,实现了在末端执行器与目标具有一定的相对逃逸速度的情况下的成功抓捕.实验表明,利用本文提出的控制策略增大了网状捕获接口的抓捕容差范围,从而验证了本文提出的控制策略的何效性.     

一种空间大容差末端执行器设计方案与仿真分析

根据大型空间机械臂及其在轨服务操作任务的特点,提出了大型空间机械臂末端执行器大容差和软捕获的基本性能要求,同时给出了实现上述基本性能的方法.在此基础上,提出了一种具有大容差性能的机械臂末端执行器设计方案.为了准确获得该类末端执行器的性能指标,完成了该类末端执行器的详细设计,也为后期的动力学仿真分析提供准确的3维模型.最...     

空间大型末端执行器抓捕容差优化及其仿真

为了使空间大型末端执行器的抓捕操作性能得到最大程度的发挥,不同于传统的从机构设计角度得到末端执行器固定抓捕容差的方法,本文从优化设计学的角度出发,根据末端执行器的工作过程及其原理,将抓捕容差划分为捕获容差和拖动容差两部分,通过分析影响大型末端执行器抓捕容差的结构因素,分别建立了末端执行器捕获容差和拖动容差的数学优化模型,并基于线性加权法和惩罚函数法获得了抓捕容差最优值(128.58mm,128.58 mm,100 mm,15.12,15.12,16.32)T,同时得到了末端执行器本体相对应的结构参数.最终,采用仿真研究方法进行了抓捕容差优化及抓捕性能实验研究.实验结果验证了理论分析的正确性,证明本文提出的末端执行器数学优化模型合理,优化算法正确.     

一种自移动空间机械臂末端执行器的研制

针对中小型自移动空间机械臂在轨操作和"换位行走"的任务需求,研制了一种小型化、大容差、高刚度可靠连接的末端执行器及其相应的目标适配器.末端执行器采用单一驱动实现捕获、拉紧锁合、解锁和电连接器插拔等多种功能.考虑捕获容差条件及锁合性能要求,对末端执行器的关键机构参数进行设计.通过ADAMS建立虚拟样机,对捕获容差及锁合的功能性能进行验证.最后通过样机实验对末端执行器的功能进行验证,验证了设计的可行性及仿真的准确性.     

基于分布式控制系统的空间大型末端执行器抓捕策略

针对空间大型机械臂冈其关节和臂杆柔性带来的抓捕前定位问题,为一种具有柔性捕获接口的新型末端执行器设计了分布式控制系统,并建立了以捕获环收缩速度为主要控制对象的抓捕策略,可实现稳定且高效的抓捕.其中,该控制系统由传感器单元、上层控制单元和3个模块化的底层驱动单元组成.传感器单元和底层驱动单元集成在末端执行器内部,采集系统...     

线驱动柔性机械臂的运动学分析

与传统的由连杆和关节构成的刚性机械臂不同,设计的柔性机械臂无任何刚性结构,外围驱动装置通过嵌在机械臂内部的拉线与柔性机械臂相联系,控制拉线长度的变化量即可调整柔性机械臂末端执行器的位置和姿态。柔性机械臂由弹性材料制作而成,拥有无穷多个自由度,在确保了高安全性、高灵活性的同时,随之也带来运动学和动力学建模复杂、控制难度大等问题。基于分段常曲率的假设,提出了一种运动学建模方法,通过建立3个空间,即驱动空间、虚拟关节空间、任务空间,以及两个映射,即驱动空间-虚拟关节空间映射、虚拟关节空间-任务空间映射,将拉线长度的变化量和柔性机械臂末端执行器的位置和姿态关联起来。仿真结果表明,提出的线驱动柔性机械臂的运动学模型,能较为真实地模拟柔性机械臂在拉线长度变化时的形态,计算末端执行器的位置和姿态。     

机械式矿用挖掘机钢丝绳在MSC Adams中的建模方法

针对MSC Adams软件对钢丝绳这种柔性大的变形物体难以建模的问题,结合矿用挖掘机的仿真过程对几种常用钢丝绳建模方法进行研究,并探讨各个方法的适用条件.     

三手指空间机器人末端执行器的柔顺抓握策略

空间机器人在抓握物体时,末端执行器与目标物体之间因接触碰撞而产生的扰动力可能会造成机械臂抖动和位姿改变,甚至将日标物体弹出捕获区,造成捕获失败,针对这一问题,首先介绍了哈尔滨工业大学(HIT)自行研制的三于指窄间机器人末端执行器,对末端执行器抓握日标物体过程中的碰撞扰动力进行了分析,提出了一种柔顺抓握策略以削弱抓握目标...     

空间机器人双臂捕获卫星操作的事件采样输出反馈神经网络避撞柔顺控制

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.     

空间绳系飞网运动建模与仿真

研究在轨捕获技术的问题中,空间绳系飞网作为一种柔性捕获手段在航天工程中具有广泛的应用前景,进行仿真成为必不可少的研究手段.首先建立了系绳的简化模型,讨论其短距离捕获阶段的释放方式.在此基础上,运用弹簧-质点模型对飞网进行建模,分析了飞网飞行过程中的受力情况,并采用Verlet数值积分方法对模型进行仿真计算,最后对飞网捕获目标进行了碰撞检测.仿真结果正确显示了捕获阶段飞网的运动过程,实时性良好,对空间飞网的设计研究具有一定的意义.     

在轨捕获技术发展综述

结合在轨捕获技术在航天任务中的应用,介绍了在轨捕获技术的发展历程．无人自主化是当前在轨 捕获技术的发展方向. 结合典型的自主在轨捕获系统,阐述了自主在轨捕获关键技术及发展现状,并指出了目前 基于空间机械臂的刚性在轨捕获模式的局限性．提出了一种新的基于柔性网的柔性在轨捕获模式,该模式比刚性 机构在轨捕获模式具有诸多优点,是在轨捕获技术发展的一个新趋势．     

钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法

通过研究分析一类[N+1]条钢丝绳驱动[N]个自由度机器人的运动学,其运动学可通过推导移去钢丝绳后开环链机器人关节空间与笛卡尔空间之间的运动学关系和关节空间与驱动空间之间的运动学关系来完成。在基本回路、共轴条件和传动线运动学分析的基础上,提出了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学的支路分析方法。根据钢丝绳传动原理,通过观察法可直接列写支路矩阵和驱动空间等效半径矩阵,从而得到了驱动空间与关节空间之间的运动学映射关系,解耦了由于钢丝绳传动导致机器人关节间的运动耦合。结合传统机器人运动学,实现了驱动空间、关节空间和笛卡尔空间完整运动学映射关系,加快和简化了钢丝绳传动机器人运动学建模和分析过程。以Stanford/JPL手指为例进行了运动学分析和仿真,验证了用支路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学支路分析方法的正确性,为钢丝绳传动机构的设计、运动学分析与控制奠定了基础。     

脊骨式柔性臂机构的机理,运动学与控制

本文阐述了球面脊骨式机器人柔性臂的机构原理，推导了臂的弯曲运动与钢缆牵拉运动之间的关系，经运动学分析推证了它的齐次变换，并在计算机上仿真其工作空间，最后还论述了该机构的驱动和控制。     

Optimization-based posture reconstruction for digital human models

Digital human modeling provides a valuable tool for designers when implemented early in the design process. Motion capture experiments offer a means of validation of the digital human simulation models. However, there is a gap between the motion capture experiments and the simulation models, as the motion capture results are marker positions in Cartesian space and the simulation model is based on joint space. Therefore, it is necessary to map the motion capture data to simulation models by employing a posture reconstruction algorithm. Posture reconstruction is an inherently redundant problem where the collective distance error between experimental joint centers and simulation joint centers is minimized. This paper presents an optimization-based method for determining an accurate and efficient solution to the posture reconstruction problem. The procedure is used to recreate 120 experimental postures. For each posture, the algorithm minimizes the distance between the simulation model joint centers and the corresponding experimental subject joint centers which is called the mean measurement error.     

近地面系留气球-缆绳复杂系统动力学建模方法

为探究系留气球在近地面工作时缆绳系统以及整体动力学响应特性,提出了一种系留气球-缆绳复杂系统动力学建模方法.通过将系留缆绳离散为若干圆柱型刚体,并以轴套力进行连接,描述系留缆绳的柔性多体特性,对系留气球系统在稳态风环境、风廓线环境以及阵风环境下进行了系统动力学建模与仿真.开展了系留气球系统结构以及环境参数对系留气球运动姿态的影响量化分析.研究结果表明,600米高度的系留气球在相同外部载荷下,系留缆绳分段数为320段时,系统的运动响应特性较为理想.     

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺复合自抗扰控制

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...     

Dynamics modeling and analysis of a flexible-base space robot for capturing large flexible spacecraft

Space robots are in huge demand due to the rapid growth of their service targets, i.e., spacecraft. There are generally large flexible components on spacecraft, such as antenna reflectors and solar paddles. Due to the vibratility of their structure, it is challenging for a space robot with flexible appendages (the base is then called flexible-base) to capture and repair the large flexible spacecraft. After capturing, the two spacecraft with flexible appendages are connected by a space manipulator, and a compounded system is formed. In this paper, we developed a dynamic model and a closed-loop simulation system, to provide a means to verify path planning and control algorithms. Initially, the dynamic characteristics of different capturing stages (preimpact and post-impact) were analyzed. The topologies of a flexible-base space robot and the compounded system were described based on incidence and channel matrices. Secondly, the recursive dynamics was formulated and resolved by an effective numerical method. The modeling was verified by Adams’ model. Thirdly, we implemented a dynamics calculation block in Matlab/Simulink environment using the S-function package for the C program, and developed a closed-loop simulation system, which was composed of the Planning and Controller, the Multibody Dynamic, and the 3D Display modules. Finally, based on the simulation system, two typical missions—target berthing and on-orbital manipulation of the target along a circle, were simulated and evaluated. Dynamics analysis results presented some useful rules for the path planning and control to suppress the vibration of the flexible structure.