捕获目标卫星后组合体航天器模糊神经网络滑模控制

探讨了漂浮基空间机械臂系统在轨捕获参数未知目标卫星后组合体航天器的镇定控制问题.首先在耦合空间机械臂系统捕获目标卫星操作过程动量、冲量的传递的基础上,建立了适用于漂浮基空间机械臂系统在轨捕获漂浮卫星控制系统设计的组合体航天器数学模型.利用该模型,设计了一种基于模糊高斯基神经网络的非奇异Terminal滑模控制算法.提出的控制算法不仅不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,而且也不需要预知系统惯性参数;由于利用神经网络的自学习能力修正模糊控制的控制规则和隶属函数,这样在系统参数识别中,模糊神经网络可减少模糊规则数,更适应于空间机械臂系统在轨捕获的实际应用.最后通过仿真试验对比结果验证了所提出的控制算法的有效性.     

考虑柔性关节的机械臂自适应运动控制策略研究

具有柔性关节的轻型机械臂因其自重轻、响应迅速、操作灵活等优点,取得了广泛应用;针对具有柔性关节的机械臂系统的关节空间轨迹跟踪控制系统动力学参数不精确的问题,提出一种结合滑模变结构设计的自适应控制器算法;通过自适应控制的思想对系统动力学参数进行在线辨识,并采用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性;仿真结果表明,该控制策略保证了机械臂系统对期望轨迹的快速跟踪,具有良好的跟踪精度,系统具有稳定性。     

基于自适应反作用零空间控制的大型非合作目标动力学参数实时辨识仿真

针对小型空间机器人抓捕大型空间非合作目标时被抓捕目标初始动量未知且不为0、实时辨识过程中基座姿态受扰动较大的问题,采用自适应反作用零空间控制方法保证在轨实时参数辨识阶段基座姿态受到的扰动最小,建立含有目标动力学参数的动量增量方程,根据在轨实时测量的基座线速度、角速度和机械臂关节角度、角速度求解目标的未知动力学参数.数值仿真结果表明,该方法在辨识过程中可实现空间机器人基座姿态较小的扰动,而且在初始动量未知且不为0的情况下能够实时高精度辨识出大型非合作目标的动力学参数.     

自组网通信下的机械臂关节振动频率自动检测

振动频率检测过程易受噪声信号和冗余计数信息干扰，整体检测时间与检测效果较差，为此，该文提出自组网通信下的机械臂关节振动频率自动检测方法。构建自组网通信模型，在数据中心设备模块中，采集机械臂关节的振动信号，通过混合检错校验模式剔除噪声；在主控制器模块中，采用原子分解算法提取振动频率计数特征，输入到振动频率测量仪中，拟合振动时间与振动次数，分析窗口函数与目标信号之间的最大内积，匹配机械臂关节振动属性，实现机械臂关节振动频率的自动检测。实验结果表明，机械臂关节振动信号的采集效果好、振动频率自动检测时间短、自动化检测效果好，便于机械臂各关节避开共振频率范围，为保证空间机械臂安全平稳运行提供新思路。     

压电柔性机械臂的主动振动控制研究

针对柔性机械臂的振动问题,采用压电智能结构作为敏感器和驱动器进行主动控制.首先建立柔性机械臂的实验装置,其次对设计的柔性机械臂系统进行辨识研究,得到系统的前二阶模态频率,再次采用PD控制和PPF控制算法对柔性机械臂进行主动振动控制.实验结果表明,采用压电智能结构可以抑制柔性机械臂的振动,效果明显.     

空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法

针对目标以任意轨迹运动且其轨迹可能与``有保证工作空间'不相交的问题, 提出了空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法. 首先, 根据手眼视觉测量数据, 预测目标的运动路径, 由此确定空间机器人对目标的最优交会姿态及最佳捕获臂型; 其次, 规划基座姿态及机械臂关节角的轨迹; 最后, 采用协调控制的方法, 实现空间机器人系统对运动目标的最优捕获(以最优交会姿态及最佳捕获臂型对目标进行捕获). 仿真结果表明了该方法的有效性.     

适用于非合作目标捕获的轻量级位姿估计网络

空间非合作目标的增多导致太空安全受到严重威胁,对非合作目标进行捕获回收具有维护空间安全、节约资源等现实意义。非合作目标捕获回收需要进行位姿估计,而目前在硬件资源有限的航天器平台上,现有的大多数非合作目标位姿估计算法无法同时满足及时性和准确性的要求。设计一种超轻量级目标检测网络YOLO-GhostECA,利用GhostBottleneck网络减少特征图冗余,并使用高效注意力机制提取核心特征图,以降低模型参数,在提升运算速度的同时保证精度水平几乎不下降。根据YOLO-GhostECA网络的检测结果粗略估计姿态,以协助机械臂更加合理地执行智能捕获任务,解决2D识别算法无法检测出物体姿态的问题。在7自由度冗余机械臂上开展的空间非合作目标捕获地面模拟的实验结果表明,与YOLOv5s网络相比,该网络模型大小减小了80.4%,运算复杂度降低了78.9%,而精度基本保持不变,可准确快速地对非合作目标进行位姿估计,能够引导机器人成功捕获非合作物体。     

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...     

一种具有切口结构的连续体机械臂的力学建模

设计了一种丝驱动的平面连续体机械臂,并建立了针对该切口结构的多冗余度特性的机械臂力学模型.基于有限元方法的基本思想,将多冗余特性的机械臂的力学模型问题分解成多个子变形单元的力学模型问题.在建立的基于Timoshenko梁单元的子变形单元的力学模型中,考虑了整体机械臂中子变形单元在变形过程中的相互耦合作用;此外,在建模中也考虑了驱动丝对柔性机械臂的侧向作用力对柔性臂整体形状的影响;通过该力学模型能够实现从驱动力到关节空间以及子关节空间的关节角度的映射.最后,通过两个不同切口的柔性机械臂的样机实验,验证了所建立的力学模型的有效性.     

基于头部碰撞等效模型的柔性关节机械臂安全构型优化

为了提高柔性关节机械臂的头部碰撞安全性,提出基于机械臂安全指数和梯度投影法的柔性关节机械臂构型优化方法,并给出安全碰撞方向和安全构型的确定方法.首先建立柔性关节机械臂的头部碰撞等效模型,模型充分考虑了机械臂关节柔性的影响.然后分别给出固定构型下安全碰撞方向的确定方法和固定碰撞方向下安全构型的确定方法.基于机械臂安全指数,采用梯度投影算法实现了冗余柔性关节机械臂连续路径的构型优化.最后,建立闭环仿真系统,分别通过平面3自由度机械臂和空间7自由度机械臂验证了采用梯度投影法降低机械臂安全指数的有效性.2种仿真结果显示,优化后的机械臂安全指数分别降低了83.86%和26.42%.     

Dynamic modeling and vibration characteristics analysis of flexible-link and flexible-joint space manipulator

With the development of space technology, lighter and larger space manipulators will be born, of which flexible characteristics are more obvious. The manipulator vibration caused by the flexibility not only reduces the efficiency of the manipulator but also affects the accuracy of the operation. The flexibility of space manipulator mainly comes from structural flexibility of links and transmission flexibility of harmonic gear reducer in joints. The vibrations generated by these two kinds of flexibility are coupled and transformed mutually, making the dynamics characteristics of space manipulator system complicated. Therefore it is difficult to assess respective effects of these flexibilities on vibrations of the manipulator tip. And the characteristics of integrated vibration of manipulator tip with different link and joint stiffnesses are not very clear. In this paper, the dynamic equations of multi-link multi-DOF flexible manipulator are established. Then, vibration responses of the tip under different elastic modulus, damping and joint stiffness were studied, and vibration characteristics of the tip with both link and joint were also analyzed. Moreover, the effects of motion planning on the vibration of the tip were analyzed. Finally, the vibration characteristics of the manipulator with flexible joints and links are verified by a two-degree-of-freedom manipulator experimental system. Dynamics analysis results presented some useful rules for the path planning and control to suppress the vibration of the flexible space manipulator.     

基于PSO非均匀样条插值的混合结构柔性臂抑振轨迹规划

柔性臂广泛应用于核工业、建筑业、太空探索等领域,但由于自身刚度低、大挠度、低阻尼等特点,其末端易产生振动且难以在短时间内消除.对此,研究一种具有一个旋转关节和一个伸缩关节的混合结构柔性臂的抑振轨迹规划方法.通过对其结构分解和刚柔部分分解,建立动力学和运动学模型.为了提高算法效率,引入权重因子,构造映射函数,选取非均匀插值点,采用粒子群算法(PSO)优化插值点位置增量,利用3次样条插值拟合优化后的轨迹函数.最后,通过设计混合柔性臂的控制系统,验证所提出抑振轨迹规划方法的有效性.     

欠驱动柔性机器人的振动可控性分析

欠驱动柔性机器人的可控性分析是对其进行有效控制的关键问题. 本文以具有柔性杆的3DOF平面欠驱动机器人为例, 分两步分析系统的可控性. 首先,忽略杆件的弹性变形, 研究欠驱动刚性系统在不同驱动电机位置的状态可控性；然后, 考虑柔性因素, 研究欠驱动柔性系统的结构振动可控性. 结果表明振动可控性是随机器人关节位形和驱动电机位置而变化的, 并且欠驱动刚性机器人的状态可控性对相应的柔性系统的振动可控性有很重要的影响. 最后, 将上述研究方法扩展到具有一个被动关节的N自由度平面欠驱动柔性机器人.     

基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法

针对目前柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法忽略了不同重力影响下的机械臂驱动力变化,导致柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制效果较差的问题,提出了基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法。基于构建PMSM驱动数学模型,采用PMSM的矢量控制方法,分析驱动力矩矢量。根据驱动力矩矢量分析结果,分析不同重力环境下有、无摩擦时的驱动力矩。构建柔性关节模型,分析其在不同重力环境下遇到的重力释放问题,使用自适应反演滑膜控制方法,设计控制率,保证机械臂能够按照既定的方向运动,使机械臂具有鲁棒性。根据柔性关节空间机械臂动力学特性,分析不同重力环境下基于PMSM驱动力矩,确定重力项是随之发生改变的。设计控制器,构建动力学模型,确保空间阶段能够最大限度跟踪运动轨迹。实验结果表明,所提方法X轴、Y轴的末端跟踪结果均与实际运动轨迹一致,误差为0。关节控制力矩在时间为3s时,出现了最大为0.5N.m的误差,说明所提方法的跟踪控制效果较好。     

Precise trajectory control of a redundant flexible manipulator on a space platform

In this paper, we propose a trajectory control method for a redundant flexible space manipulator with slewing and deployable links on a space platform. This method consists manipulator tip position feedback with a transposed Jacobian matrix and local vibration control. We newly derive the Jacobian matrix for a flexible manipulator considering link deformation with the assumed modes method. Simulation results show the effectiveness of this method. We use dynamics consisting of an order N algorithm for N bodies, based on the non-recursive Lagrangian approach, to simulate the dynamics of an orbiting manipulator with an arbitrary number of slewing and deployable flexible links.     

柔性冗余度机器人力矩优化的研究

本文首先应用模态理论，对柔性冗余度机器人振动的控制问题的原理与策略进行了研究．在此基础上通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析，指出柔性冗余度机器人在通过优化其自运动实现振动抑制的同时还具有二次优化的能力，并给出了在满足抑振的前提下实现关节力矩优化的方法．最后对一个末杆为柔杆的平面三杆机械手的振动控制与力矩优化进行了仿真，结果验证了该方法的可行性．     

大型挠性空间机械臂振动抑制的一种关节控制策略

大型空间机械臂在操作过程中,一个突出的问题是超低频挠性,不仅存在机械臂的弯曲振动,而且还存在关节的扭转变形振动;另外一个不能忽视的问题就是减速器的扭矩传递特性,以及机械臂关节运动与基座扰动（空间站）之问的耦合特性,这就要求根据关节结构和传感器配置实现关节位置控制,同时稳定和衰减机械臂及其关节的低频挠性振动．本文运用集中参数法对空间机械臂的挠性动力学进行建模,设计了工程可实现的单个关节控制策略及其控制律,分析和数值仿真了其稳定性,对未来空间站的大型挠性空间机械臂设计、动力学与控制的研究具有一定的参考价值．     

Dynamic hybrid position/force control of a two degree-of-freedom flexible manipulator

In this article, a method is proposed whereby both contact force exerted by a flexible manipulator and position of end-effector while in contact with a surface are controlled. We approximate elastic deformations by means of B-spline functions and derive dynamic equations of joint angles, vibration of the flexible link, and constraint force. A controller for the hybrid position/force control of the flexible manipulator is designed on the basis of the singular perturbation method. Simulation results confirm that the controller performs remarkably well. © 3994 John Wiley & Sons, Inc.     

Partial differential equation modeling and vibration control for a nonlinear 3D rigid‐flexible manipulator system with actuator faults

In this paper, modeling and controlling problem for a two‐link rigid‐flexible manipulator in three‐dimensional (3D) space is studied under actuator faults. For modeling, the dynamics of the 3D mechanical system is represented by nonlinear partial differential equations, which is first derived in infinite dimension form. Based on the nonlinear model, the controller is proposed, which can achieve joint angle control and vibration suppression control in the presence of actuator faults. The stability analysis of the closed‐loop system is given based on LaSalle invariance principle. Numerical simulations illustrate the effectiveness of the proposed controller. This study will promote the development of nonlinear flexible manipulator systems in 3D space.