空间绳系机器人抓捕目标过程协同稳定控制

针对空间绳系机器人抓捕无控目标过程中的自身稳定控制问题,提出一种操作机械臂主动阻尼控制与利用空间系绳、反作用轮进行基体姿态稳定控制相结合的协同稳定控制方法.文中首先建立了空间绳系机器人抓捕目标的动力学模型及与目标的接触碰撞模型,分析了抓捕过程中空间绳系机器人及目标的运动状态,在此基础上设计了操作机械臂关节主动阻尼控制律以减小碰撞力对操作机械臂末端的冲击,结合基体姿态的变化设计了滑模姿态稳定控制律,通过空间系绳和反作用轮提供基体所需的滑模姿态控制力矩.在抓捕目标仿真过程中对关节主动阻尼控制方法和所提出的协同稳定控制方法进行比较分析,结果表明,本文提出的抓捕目标协同稳定控制方法能很好地稳定操作机械臂和基体,且空间系绳对基体及目标的扰动影响很小,达到了空间绳系机器人抓捕目标时自身稳定的要求.     

空间绳系机器人大角度姿态机动控制

空间绳系机器人在非合作目标捕获/操作方面应用前景十分美好.研究绳系机器人优化控制问题,针对系绳干扰和大角度测量误差下的大角度姿态机动控制难题,建立包括运动学/动力学模型、执行机构模型、干扰模型的空间绳系机器人大角度姿态机动模型,并在Lyapunov原理的指导下,基于动态RBF神经网络理论和自适应控制理论设计了四元数反馈控制器,并进行仿真验证.仿真结果表明,机器人姿态机动速度快,稳态精度高,能够满足空间绳系机器人下一步操作的需求,为空间绳系机器人的精确操作提供了依据,为未来在轨服务技术的发展奠定理论基础.     

空间绳系机器人在轨捕获视景仿真系统设计

针对空间绳系机器人在轨捕获可视化的问题,把绳系机器人的控制系统引入仿真环境,基于Vega平台开发了路径规划运动方式和实时接收数据运动方式相结合的空间绳系机器人在轨捕获仿真系统;利用Pro/Engineer和Creator建立了场景模型,实现了绳系在空间展开和视觉伺服效果的模拟,并对捕获过程进行了实时仿真;仿真结果表明,该系统能够直观显示控制系统的控制效果,能够成功演示空间绳系机器人对目标卫星的捕获,满足实时性要求。     

空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应控制器设计

针对空间绳系机器人（Tethered space robot,TSR）目标抓捕过程中的稳定控制问题,建立空间绳系机器人系统模型,根据阻抗控制原理,设计基于位置的阻抗控制方法;针对空间绳系机器人系统的模型不确定性问题,利用神经网络对不确定性进行估计补偿,设计鲁棒项对空间系绳干扰和神经网络估计误差的影响进行抑制,在此基础上设计空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应稳定控制器,并进行稳定性证明.最后对设计的控制器进行仿真验证.作为对比,对无鲁棒项自适应的稳定控制器进行仿真.仿真结果表明,设计的基于阻抗控制的鲁棒自适应控制可以实现对空间绳系机器人目标抓捕过程中的稳定控制,与无鲁棒项自适应的稳定控制器仿真结果相比,本文采用的鲁棒自适应控制方法可以有效地对不确定性进行补偿,控制过程中超调量更小,收敛时间更短,并且控制精度更高.     

带可控臂的绳系卫星短距释放实验研究

通过绳系卫星轨道面内运动的天-地动力学相似,利用地面物理仿真平台实验研究绳系卫星短距离释放的控制问题.首先建立带控制臂的绳系卫星系统非线性动力学方程,获得天-地动力学相似条件,采用比例-微分反馈控制方法,对受控绳系卫星的姿态运动进行数值仿真.其次,利用地面物理仿真平台实现绳系卫星的天-地动力学相似环境,通过单根刚性臂实现卫星姿态运动和系绳摆动的两自由度运动控制.实验和数值对比结果表明,借助控制臂可以有效的对绳系卫星的释放进行控制.     

面向接管控制的空间机器人操控技术综述

为了延长在轨故障卫星的寿命、移除重要轨道位置上的空间碎片或失效卫星,使用空间机器人对空间目标的姿态或/和轨道进行接管控制变得越来越重要。本文系统调研了各类可用于对空间目标进行接管控制的手段,并将其按照与目标接触方式的不同,分成了刚性接管控制、绳系柔性接管控制以及非接触式接管控制,对各种接管控制手段进行了详细的阐述。最后对这3类接管控制手段的具体原理、操作方式及关键技术进行了系统的总结和分析,概括了各自的特点以及优劣势,对相关领域的理论与实践研究进行了展望。     

自由飞行空间机器人系统的协调运动控制

考虑由载体和机械臂组成的空间机器人系统的协调控制问题,提出了一种新的协调控制策略.该策略首先利用简单的变结构控制器粗略控制载体的运动,进而设计机械臂控制器以保证手端精确跟踪其期望的运动轨迹.应用该策略分别对手端自由运动和受限运动设计了相应的控制器,并对两杆平面空间机器人系统进行了仿真,证实了控制策略的有效性.     

自由飞行空间机器人系统的协调运动控制

考虑由载体和机械臂组成的空间机器人系统的协调控制问题，提出了一种新的协调控制策略.该策略首先利用简单的变结构控制器粗略控制载体的运动，进而设计机械臂控制器以保证手端精确跟踪其期望的运动轨迹.应用该策略分别对手端自由运动和受限运动设计了相应的控制器，并对两杆平面空间机器人系统进行了仿真，证实了控制策略的有效性.     

空间机器人系统的自适应控制

对于载体姿态可控的空间机器人系统，本文给出了一种笛卡空间自适应控制算法，当系统的动力学参数未知时，该算法可以保证对手端期望位置轨迹的渐近跟踪，并且不需要测量关节加速度。应用文中算法对二杆平面空间机器人系统进行仿真研究。证实了算法的有效性。     

Postcapture robust nonlinear control for tethered space robot with constraints on actuator and velocity of space tether

Stabilization control is an essential mission for the tethered space robot‐target combination during the postcapture phase of tethered space robot (TSR). In this paper, the stabilization problem of such a tumbling combination is studied. With the consideration of the space tether and the attitude of the TSR's gripper, the dynamic model of the combination is first derived using Lagrange method. Then a robust nonlinear controller for the combination is proposed based on the backstepping control method. Considering the constraint on the velocity of the space tether, command filter method is utilized to guarantee the velocity of the space tether within a permitted range. A feedback term is designed to compensate the saturation of the thruster. Moreover, an adaptive law is designed to estimate the disturbance of parameter uncertainties and this disturbance is compensated in the proposed controller. Numerical simulations suggest that the proposed robust controller can realize the orbit and attitude stabilization of the combination; besides, the velocity of the space tether is effectively constrained and the parameter uncertainties of the combination can be compensated via the adaptive law. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

高阶耦合机器人的自适应模糊滑模分散控制

针对一类存在模型不确定性和未知非线性扰动的机器人系统,考虑其不确定项和未知扰动项的上界是关于系统状态的普通高阶多项式,结合模糊系统的逼近能力,提出了一种基于滑模控制原理的自适应模糊分散控制方法.该方法不仅能够使得关节之间相互耦合的机器人各关节的控制器仅由本关节的信息就能完全确定,而且消除了现存文献在设计机器人分散控制器...     

自由漂浮空间机器人轨迹跟踪的模型预测控制

针对传统控制方法难以解决自由漂浮空间机器人(free-floating space robot, FFSR)轨迹跟踪过程中的各类约束的问题,采用模型预测控制对自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪问题进行了研究.在自由漂浮空间机器人拉格朗日动力学模型的基础上,建立了系统伪线性化的扩展状态空间模型;在给定系统的性能指标和各类约束的情况下,基于拉盖尔模型设计相应的离散模型预测控制器,并证明控制器的稳定性,控制器中引入任务空间滑模变量实现了对末端期望位置和期望速度的同时跟踪;以平面二杆自由漂浮空间机器人为例,对无约束末端轨迹跟踪和有约束末端轨迹跟踪两种情况进行对比仿真验证.仿真结果表明,该模型预测控制器不仅可以实现对末端期望轨迹的有效跟踪,还能满足各类约束.     

基于神经网络的自由漂浮空间机器人关节空间鲁棒跟踪控制

针对存在不确定性以及干扰的自由漂浮空间机器人关节空间轨迹跟踪问题,提出了一种基于鲁棒控制思想的神经网络鲁棒控制方法.对于控制器中由系统惯性参数不确定性引起的非线性不确定项,利用径向基函数(RBF)神经网络进行逼近,并且利用鲁棒控制器使系统镇定并保证从干扰到跟踪误差的增益小于或等于给定的指标.最后,对本文提出的控制方案进...     

空间机器人控制系统硬件仿真平台的研究

建立了空间机器人控制系统的硬件仿真平台。研究了空间机器人基于手眼视觉的控制问题,建立了系统关键部件的模拟设备。仿真平台由中央控制器、关节模拟器、手眼模拟器、动力学/运动学仿真计算机和三维动画显示计算机组成。基于该平台,对空间机器人控制特性和仿真过程中的延时环节进行了研究。系统自主捕获仿真试验结果表明,所采用的运动控制算法能够稳定收敛于目标,仿真平台能够较好地完成对实际机器人系统控制过程的模拟测试及系统控制算法的验证。     

漂浮基空间机器人的径向基神经网络鲁棒自适应控制

针对一类同时具有参数及非参数不确定性的自由漂浮空间机器人系统的轨迹跟踪问题,采用了一种RBF神经网络的自适应鲁棒补偿控制策略.对于系统的参数不确定性,通过对径向基神经网络来自适应学习并补偿,逼近误差通过滑模控制器消除,神经网络权重的自适应修正规则基于Lyapunov函数方法得到;而非参数不确定通过鲁棒控制器来实时自适应...     

Balance recovery control for biped robot based on reaction null space method

A biped walking robot should be able to keep balance even in the presence of disturbing forces. This paper presents a step strategy concept of biped walking robot that is stabilized by using reaction null space method. The called ＂step strategy＂ can be modeled by means of the reaction null space method that introduced earlier to tackle dynamic interaction problems of free-floating robots, or moving base robots in general. 6-DOF biped robot model simulations are used to confirm the validity.     

不确定性自由漂浮空间机器人神经自适应控制

针对具有模型不确定性以及外部干扰下的自由漂浮空间机器人,采用一种整体逼近的神经网络自适应控制方法。该方法采用RBF神经网络对不同重力环境下系统模型的不确定项进行整体逼近,对系统的不确定项进行在线自适应学习。神经网络的逼近误差以及外界干扰由鲁棒项进行消除。该方法不依赖于系统模型,简化了控制系统的结构,在考虑重力等不确定项的情况下不用改变控制器也能进行控制,并且根据李亚普诺夫理论证明了所设计控制器使系统渐进稳定。在不同重力环境下进行了仿真,验证了控制方案的有效性。     

Balance recovery control for biped robot based on reaction null space method

A biped walking robot should be able to keep balance even in the presence of disturbing forces.This paper presents a step strategy concept of biped walking robot that is stabilized by using reaction null space method.The called "step strategy" can be modeled by means of the reaction null space method that introduced earlier to tackle dynamic interaction problems of free-floating robots,or moving base robots in general.6-DOF biped robot model simulations are used to confirm the validity.     

Nonsingular predefined-time dynamic surface control of a flexible-joint space robot with actuator constraints

To achieve predefined-time trajectory tracking control of a flexible-joint space robot(FJSR) with actuator constraints, a nonsingular predefined-time dynamic surface control scheme is developed. The input saturation caused by actuator constraints is addressed via the designed predefined-time anti-saturation compensator. On this basis, two different control laws are designed for such high-order nonlinear systems by utilizing the backstepping technique, and a novel nonlinear filter is constructed to filter the virtual control signals, thus avoiding the “differential expansion” phenomenon. Moreover, a singularity-free auxiliary function is designed to solve the singularity issue generated by the derivative of fractional power terms in the predefined-time control algorithm framework. The closed-loop system is proven to be semi-globally predefined-timely uniformly ultimately bounded (SGPTUUB) via constructing the suitable Lyapunov function. The difference and effectiveness of the two designed control laws are illustrated by the conducted simulations. Both of them allow the FJSR system to track the desired trajectory in a reasonably predefined time.