圈套式空间抓取装置抓取策略及动力学研究

圈套式空间抓取装置采用钢丝绳作为执行元件对目标实施柔性捕获,具有容差大、冲击低、连接刚性高的优点,适合作为大型空间机械臂的末端执行器,用来对高质量、大体积的空间大型目标进行抓取操作。对圈套式空间抓取装置进行研究,给出了圈套式空间抓取装置的结构特点、抓取原理以及"柔性捕获-刚性连接"的抓取策略;对捕获阶段的动力学过程进行分析,利用牛顿-欧拉混合坐标法建立了数学模型,数值仿真试验结果证明动力学过程推导合理,模型建立正确。     

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺无源神经网络H∞控制

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。     

空间大型末端执行器漂浮载荷捕获仿真分析

根据空间大型机械臂对漂浮载荷的捕获要求,研制了一套基于腱-鞘传动的大型空间末端执行器原理样机。小质量/小惯量漂浮载荷是在轨捕获的难点,因此,基于欧拉方程建立末端执行器对漂浮载荷的捕获模型,开展小载荷捕获影响因素的研究,从而明确影响漂浮载荷捕获可靠性的关键参数。并通过Hertz接触模型建立了末端执行器的数值仿真模型,完成了末端执行器对漂浮载荷的捕获数值仿真,从而进一步验证了理论分析的正确性,并为大型机械臂在轨捕获的策略制定提供了依据。     

空间充气展开绳网捕获系统动力学建模与分析

空间充气展开绳网系统在空间捕获中具有自身特殊的优势：占用体积小,展开后捕获范围大,且绳网由充气杆支撑,结构更加稳固,比空间飞网系统更加具有应用潜力。基于绝对节点坐标法（Absolute node coordinate method,ANCF）建立空间充气展开绳网捕获系统动力学模型,应用Hertz理论建立柔性体碰撞动力学模型,对系统进行动力学仿真分析。仿真表明,静力学和振动分析能够为机构力学参数选型提供参考,相比充气杆末端激励,绳网中部受到激励时对捕获机构振动影响更大;机构收口拉力随着充气杆刚度的增加而增大,对充气杆的放气处理可以降低其刚度,从而减小收口拉力,约为原来的10%,易于收口机构的设计。通过对期望目标的捕获仿真,分析了影响收口过程的关键指标,证明了捕获策略的合理性和动力学模型的准确性。研究结果能够对空间充气展开绳网捕获系统设计提供有效的依据。     

基于增量非线性动态逆的液压执行器力控制策略研究

针对液压执行器力控跟踪要求高度的非线性及不确定性的动力学模型问题,导致液压驱动系统高精度运动控制存在困难,提出采用一种基于传感器的增量式非线性动态逆控制方法来解决液压执行器的力跟踪问题。建立液压执行器动力学模型,理论分析了INDI控制策略在力控制模型上具有稳定性好、抗干扰能力强、系统标定范围大的优势。利用该控制器压力差导数作为反馈,不依赖于精确的液压执行器数学模型和参数标定,对模型不确定性具有固有的鲁棒性。仿真试验和理论分析表明: 采用高频率采样的INDI控制器力跟踪误差始终稳定在6%左右; 最大跟踪误差也不超过8%;对参数不确定性具有极强的鲁棒性。     

空间对接机构捕获锁优化设计

空间对接机构是实现航天器空间交会对接的关键系统。捕获锁作为对接机构的关键组成部件,具有实现两航天器间捕捉和释放的功能。其中的锁舌弹簧机构是典型的多体系统动力学机构,具有一定的设计难度。针对该问题,分析了锁舌运动规律,简化由分析力学建立的非线性微分方程组,建立了满足工程精度需求的数学模型;接着采用惩罚函数法和随机顺序配对机制改进标准遗传算法,并编制程序完成参数求解;随后应用ADAMS软件进行动力学仿真。捕获锁试验结果表明,捕获力显著减小,性能获得提高。所研制的捕获锁圆满通过了国内载人航天交会对接飞行试验,证明该产品优化设计工作获得了成功。     

基于气动式机械末端执行器主动柔性接触研究

针对现有很多基于气压式机械执行器末端与环境接触冲击过大,容易造成机械损伤等问题,该文提出了一种基于阻抗控制的柔顺控制器,用于缓解机械末端执行器接触力,实现友好接触。首先,以气压式机械末端执行器为研究对象,设计并阐述气动执行器工作原理和基本组成,并建立气压执行器基本数学模型;然后设计基于阻抗的柔顺控制器算法;最后搭建基本实验平台,以该平台作为实验,验证执行器末端对于期望力的跟踪性能,间接验证执行器末端对力的柔顺效果,实验结果表明,该控制器算法能够有效的实现主动柔顺控制效果。     

用于微创外科的线驱动连续型手术机器人设计与仿真研究

针对传统手术器械定位精度低,且难以进入人体自然腔道或微创切口的问题,设计了一种用于微创外科的线驱动连续型手术机器人系统。首先,介绍了该系统的各个部分模型,包括UR串联机械臂、Stewart并联平台、连续型末端执行器以及触觉式力反馈手柄;然后,对系统中的UR机械臂和连续型末端执行器进行了运动学分析,将分析的结果导入Matlab进行了仿真,得到了不同角度的UR机械臂操作空间位姿以及不同驱动线变化量的连续型末端执行器操作空间位姿;最后,利用蒙特卡罗法对连续型末端执行器的工作空间进行了仿真分析。研究结果表明:UR机械臂可以扩展系统的工作空间,连续型末端执行器可以灵活地进入狭小非线性手术环境,整个系统能帮助医生进行手术操作,提高医疗精度。     

空间三指-三瓣式大容差末端执行器容差分析

容差能力是空间大型机械臂末端执行器的首要性能要求,大容差能力可以使末端执行器能弥补大型机械臂末端定位误差大的缺点。提出了一种具有大容差性能的末端执行器设计方案,并提出了基于坐标变换和关键点投影的方法,分析了影响末端执行器容差性能的关键因素,从而确定了接口的外径和楔形角以及末端执行器的包络空间尺寸是影响末端执行器容差性能的主要因素,根据分析结果对末端执行器和接口进行详细设计。通过ADAMS对详细设计的末端执行器进行了容差性能仿真分析,结果表明所提出的末端执行器方案满足容差性能要求,并验证了容差分析方法的正确性。     

2-PSS&PPU并联微动机器人的工作空间分析

提出一种2-PSSPPU并联微动机器人机构。利用螺旋理论分析了该机构末端执行器的自由度,并推导出其工作空间理论范围。最后通过一个完整算例,基于MATLAB软件搜索机构工作台的运动边界,从而计算出机构工作空间,证明理论推导的正确性。在进一步的分析中,可以确定当限制某个驱动杆件长度时,可以对工作空间产生影响,为该机构的运动学和动力学分析奠定了基础。     

Design of an Automatic Autonomous Mini Prone-cone Microsatellite Docking Mechanism

The capability of docking, refueling, repairing, and updating microsatellites using automatic autonomous vehicles will be of significance critical value for design and operation of several space systems in the near feature. Automatic docking capability was successfully tested by many institutions such as National Space Development Agency in Japan, European Space Agency, National Aeronautics and Space Administration in USA, etc. However, there is still much more space for improvement of degree of automation during the process of docking with large deviations of the initial attitude. A novel automatic autonomous probe-cone docking mechanism used for microsatellite docking is proposed. This docking mechanism is designed according to the design indices such as miniaturization, degree of automation and automatic capture capability within large deviation of the initial attitude. On the basis of the virtual work principle, the dynamics modeling of the docking process is presented. The position of the contact point is then analyzed. Comprehensive system level simulation is conducted in the 13 kinds of typical operating conditions with the initial deviations. Capture performance is analyzed. The simulation results show that the docking mechanism can be smoothly captured within 2 s in all cases of large attitude deviation between the active and passive spacecrafts. A virtual prototype model of the docking mechanism is established through ADAMS for further verifying the correctness of the buffer parameter model and the autonomous docking capability. A laboratory platform is designed for on-the-ground experimental validation of the property of mini probe-cone docking mechanism. Repeated docking tests prove the proposed design of the mini probe-cone docking mechanism system for its high reliability, and automatic capture capability within large attitude range. The kinetic model of the docking capture process and the mechanism structure could provide some References for similar mechanism design of in-orbit spacecraft.     

面向空间软捕获的双模传动关节设计与仿真

星载抓捕机构在空间目标捕获任务中发挥着重要作用,然而空间捕获时的对接碰撞很容易导致抓捕机构失稳。针对空间捕获软对接问题,设计了一种双模传动软接触关节,既能实现双自由度刚性传动,同时可通过阻尼吸振实现空间六维碰撞的缓冲和卸载。在ADAMS仿真软件中建立单关节星载抓捕机构模型,通过空间单维和六维碰撞下的仿真研究,验证了软接触关节缓冲和卸载空间六维碰撞的原理及其对基座与关节稳定的有效性。进一步建立三关节星载抓捕机构模型,通过空间六维碰撞下的仿真试验,说明了双模传动软接触关节在多关节抓捕机构中应用的有效性。     

锥杆式对接机构捕获锁的创新设计

锥杆式对接机构是目前国际空间站上的标准配置之一.为满足我国将来空间站建设的需要,应用功能分析法对锥杆式对接机构捕获锁进行了自主创新设计,并在基于空间凸轮的捕获锁概念设计基础上进行了工程化设计研发.最终生产的捕获锁产品经测试符合设计预期,并装配整机进行后续试验,推进了我国空间对接机构类型多样化的发展.     

差动式机电缓冲阻尼系统受轴向力偶时的动力学模型

研究空间对接机构差动式缓冲阻尼系统受轴向力偶作用时的运动学和动力学，找出捕获环角速度与丝杠沿其轴线平动速度的精确关系式，导出系统运动约束方程和动力学方程，并就其简化方程求出解析解。     

Design of a Flexible Capture Mechanism Inspired by Sea Anemone for Non-cooperative Targets

Robotic grippers have been used in industry as end-effectors but are usually limited to operations in pre-defined workspace.However,few devices can capture irregularly shaped dynamic targets in space,underwater and other unstructured environments.In this paper,a novel continuum arm group mechanism inspired by the morphology and motions of sea anemones is proposed.It is able to dissipate and absorb the kinetic energy of a fast moving target in omni-direction and utilize multiple arms to wrap and lock the target without accurate positioning control.Wire-driven actuation systems are implemented in the individual continuum arms,achieving both bending motion and stiffness regulation.Through finite element method,the influence of different configurations of the continuum arm group on the capture performance is analyzed.A robotic prototype is constructed and tested,showing the presented arm group mechanism has high adaptability to capture targets with different sizes,shapes,and incident angles.     

Nonlinear modeling and identification of the electro-hydraulic control system of an excavator arm using BONL model

Electro-hydraulic control systems are nonlinear in nature and their mathematic models have unknown parameters. Existing research of modeling and identification of the electro-hydraulic control system is mainly based on theoretical state space model, and the parameters identification is hard due to its demand on internal states measurement. Moreover, there are also some hard-to-model nonlinearities in theoretical model, which needs to be overcome. Modeling and identification of the electro-hydraulic control system of an excavator arm based on block-oriented nonlinear（BONL） models is investigated. The nonlinear state space model of the system is built first, and field tests are carried out to reveal the nonlinear characteristics of the system. Based on the physic insight into the system, three BONL models are adopted to describe the highly nonlinear system. The Hammerstein model is composed of a two-segment polynomial nonlinearity followed by a linear dynamic subsystem. The Hammerstein-Wiener（H-W） model is represented by the Hammerstein model in cascade with another single polynomial nonlinearity. A novel Pseudo-Hammerstein-Wiener（P-H-W） model is developed by replacing the single polynomial of the H-W model by a non-smooth backlash function. The key term separation principle is applied to simplify the BONL models into linear-in-parameters struc~tres. Then, a modified recursive least square algorithm（MRLSA） with iterative estimation of internal variables is developed to identify the all the parameters simultaneously. The identification results demonstrate that the BONL models with two-segment polynomial nonlinearities are able to capture the system behavior, and the P-H-W model has the best prediction accuracy. Comparison experiments show that the velocity prediction error of the P-H-W model is reduced by 14%, 30% and 75% to the H-W model, Hammerstein model, and extended auto-regressive （ARX） model, respectively. This research is helpful in controller design, system monitoring and diagnosis.     

具有面部表情识别与再现的机器人头部系统的研制

研制出具有对人类表情识别和表情再现机能的仿人机器人头部系统,该系统由仿人机器头部本体、图像采集设备、表情及面部器官控制系统、表情识别系统等部分组成;该系统从图像采集装置获得人类表情图像,然后采用SVMs和ASM结合的方法进行视频序列的人脸表情识别,设计了眼球、眼睑、下颚等面部器官和面部表情机构及驱动系统对机器人面部皮肤和头部器官进行运动控制,并根据识别结果,可实现七种不同特征的面部表情的再现。