漂浮基机械臂系统耦合动力学与解耦控制方法

在执行空间任务过程中,漂浮基机械臂系统内部的动力学耦合现象使得基体姿态调整和机械臂末端定位与控制问题变得更加复杂。综合考虑多种空间漂浮基机械臂系统共性特征,关注机械臂与基体耦合规律,建立统一的耦合动力学模型,并利用整个系统的非完整性特征和耦合特点,对特定系统设计解耦控制规律。通过控制机械臂关节主动运动实现基体位姿可控和机械臂末端任务不受制约的目的。结果表明,通过合理设置控制参数,在解空间存在的情况下,能够达到漂浮基体与机械臂末端协调运动的目的。     

SpiderFab空间机械臂系统耦合动力学计算与仿真

SpiderFab型空间机械臂是一种典型的漂浮基空间机械臂系统。为了定量的认识机械臂在运动过程中对基体的扰动影响,并以此为依据设计浮动基体的位姿控制系统,建立了系统的运动学、动力学方程。根据系统动量守恒条件显式的表达出基体与机械臂之间的速度耦合关系,并由此说明基体的位姿变化不仅与机械臂实时关节速度有关,还与机械臂的历史关节路径有关。为了更进一步说明系统内存在的动力学耦合问题,针对一个漂浮基三自由度空间机械臂系统,设计了三组仿真试验。三组不同的关节速度曲线作为输入条件,求解基体关节所受的扰动量。仿真结果证明了计算方法的正确性。     

基于量子粒子群优化算法的空间机器人非完整笛卡尔路径规划

利用自由漂浮空间机器人系统的非完整冗余特性,提出一种可使基座姿态和机械臂末端位姿同时到达期望状态的路径规划方法.该方法首先通过正弦多项式函数对机械臂关节角轨迹进行参数化,并根据基座姿态和机械臂末端位姿控制精度指标设计目标函数,由此,将自由漂浮空间机器人系统的非完整笛卡尔路径规划问题转换为非线性系统的优化问题.采用量子粒子群优化算法对非线性优化问题进行求解,将求解出的参数代入机械臂关节轨迹函数,即实现了非完整路径规划的目标.建立由飞行基座和6-DOF机械臂组成的空间机器人系统动力学模型,对所提出的方法进行仿真验证.试验结果表明,所提出的方法能够收敛于全局最优值,收敛速度快,所需调整参数少,且规划的关节路径满足关节角、角速度及角加速度的范围,关节路径平滑,适合于机械臂的控制.     

基于滑模控制的空间机器人软硬性抓取

采用滑模控制对空间机器人捕获漂浮目标的软硬性抓取进行研究。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。建立空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入末端装置抓取目标时的碰撞模型,并引入动态抓取域用于机械臂抓取目标时的控制,随后应用滑模控制及基体姿态控制,以减小抓取碰撞冲击对系统的冲击干扰。滑模面参数表征了机械臂保持及跟踪状态的抗冲击能力,可通过其灵活改变机械臂刚性以获取不同抓取性态,包括接触式硬抓取及碰撞式软抓取。仿真表明,空间机器人捕获漂浮目标过程中,硬抓取能保持机械臂刚性,且关节变化小,末端抓取为持续接触;而软抓取时,机械臂受冲击而随动耗能,关节变化大,但对目标位置及基体姿态的冲击小,均约为硬抓取的50%。抓取性态的研究对空间机器人的捕获操作有着重要的理论及工程价值。     

双臂空间机器人姿态与关节协调运动的自适应控制、鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制情况下的双臂空间机器人姿态和关节协调运动的自适应与鲁棒控制问题。利用拉格朗日方法导出了双臂空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程;在该方程的基础上,基于增广变量法（恰当地扩展系统的控制输入和输出）,成功地克服了完全能控形式的空间机器人系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点;针对双臂空间机器人两末端抓手所持载荷参数未知与不确定两种情况,分别设计了载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应控制和鲁棒控制方案。系统数值仿真表明,两种控制方案均可有效消除空间机器人系统惯性参数未知和不确定的影响,控制双臂空间机器人的载体姿态与机械臂各关节准确地完成期望的运动。     

并链式非完整机械臂机构设计及运动规划

基于非完整理论,将摩擦圆盘运动分解合成机构作为关节传动部件,提出了一种新型并链式非完整机械臂,并针对这种四关节机械臂建立了运动模型,通过对其运动规律分析证明了该系统具有非完整性和可控性。并采用将这种机械臂具有的三角形数学模型链式变换的方法,在链式空间对系统进行运动规划。分析表明,该机械臂各个关节能够在规定时间内准确地运动至目标位形,实现了两个控制电机驱动四个关节运动,具有欠驱动特性,为研究轻量化、小型机械臂奠定了基础。     

具有外部扰动的漂浮基空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,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,并将其转化为状态空间形式的系统控制方程。以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的Terminal滑模控制方案。提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性。此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性。一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性。     

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。     

柔性空间机械臂系统的双环积分滑模控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控的情况下,漂浮基柔性空间机械臂关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了柔性空间机械臂的系统动力学方程,之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。以此为基础,针对慢变子系统———柔性空间机械臂的刚性运动,设计了系统参数未知情况下的双环积分滑模控制方案,以控制柔性空间机械臂的载体姿态及机械臂关节铰协调地完成各自在关节空间的期望运动;而对于快变子系统———柔性臂的振动,则设计了分级模糊控制方案来主动抑制柔性杆的振动。计算机数值仿真证实了该方法的可靠性和有效性。     

机械臂全工作空间域非参数约束位姿误差估算

针对机械臂全工作空间域位姿误差估算,提出了非参数化约束的运动学误差综合解算与动态估算方法。基于误差等效微分变量和多关节运动的连杆坐标系误差等效微分变换,构建了机械臂运动学动态非参数化约束的位姿误差模型。将多因素产生末端位姿误差归结为与关节转角变量有关的周期性动态函数变化,实现了机械臂综合误差的动态函数化描述。根据多连杆坐标系关节运动耦合规律,设计了多关节运动空间坐标系位姿在线解耦变换与补偿算法。全工作空间域验证实验中,误差估算值与测量值之间的位置坐标的最大绝对值偏差小于0.01 mm,姿态角的最大绝对值偏差小于0.03°。实验结果表明,该方法可提高机械臂全工作空间域位姿误差估算的精度与可靠性。     

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.     

布谷鸟搜索算法在空间机械臂轨迹规划中的应用研究

针对自由漂浮状态下的6-DOF(degree of freedom)非完整冗余的空间机械臂系统在轨迹规划时平滑性和稳定性不足的问题,设计了一种改进布谷鸟搜索算法的轨迹规划策略。在空间机械臂一般模型的基础上建立其运动方程,根据基座姿态、机械臂关节角速度以及角加速度的约束条件构建了空间机械臂轨迹规划模型,通过改进布谷鸟搜索算法进行优化,实现轨迹规划的目标。仿真结果表明,在满足机械臂系统受限范围可使得关节的最终状态达到了期望状态,关节轨迹的平滑性得到了改善;并且能较好的克服机械臂运动对基座姿态的干扰,增强了机械臂系统运动的稳定性。     

柔性臂空间机器人的神经网络自适应控制及振动模态分级模糊控制

由于太空中的在轨作业一般要求空间机器人具有手臂长、负载大,对空间机器人动力学及控制进行分析时必须考虑到机械臂杆件的柔性问题。为此探讨了参数未知柔性臂空间机器人载体姿态、关节协调运动控制及柔性振动抑制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用Lagrange方法建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学方程。运用奇异摄动理论的双时间刻度分解,导出了适用于控制系统算法设计的奇异摄动数学模型。利用该模型,针对慢时标子系统——等价刚性空间机械臂,设计了系统参数不确定情况下的径向基函数神经网络补偿控制算法,以控制柔性臂空间机器人的载体姿态及机械臂关节铰协调地来完成各自在关节空间的期望运动;神经网络控制算法的研究目的是基于神经网络良好的在线自学习能力,大大提高整个系统的控制精度。针对快时标子系统——柔性臂的振动,设计了分级模糊控制算法来主动抑制柔性杆的振动。分级模糊控制算法的研究目的是为了减少模糊规则库的大小,有效提高模糊控制器的计算效率。通过计算机仿真验证了提出方法的有效性和可行性。     

基于非刚体静力模型的微型机械臂姿态估计

提出了一种针对具有10个被动平面转动关节的微型化柔索驱动机械臂运动姿态的实时估计方法。通过建立该微型机械臂的非刚体静力模型,将10个平面自由度变量转化为1个位移变量和1个张力变量。用一个线型差动变压位移传感器(linear variable differential transformer,LVDT)和一个微型载荷传感器(load cell)测量该微型机械臂终端执行器的平面运动姿态。通过对测量结果的精度和误差进行分析,指出了该测量方法的优势与不足,并与其他几种可能的测量方法进行了比较和讨论。     

考虑含间隙关节的漂浮基空间机械臂动力学输出特性研究

研究关节间隙对漂浮基空间机械臂动力学特性的影响对设计空间站机械臂具有重要意义。采用Lankarani-Nikravesh接触力表达式建立了考虑摩擦的含间隙关节模型;应用Lagrange方程和含间隙关节模型建立了含间隙的漂浮基空间机械臂动力学模型。数值模拟分析了间隙关节数量和不同间隙尺寸对漂浮基空间机械臂动力学输出特性的影响,并定量分析了间隙对漂浮基空间机械臂动力学输出的影响程度。结果表明,两个含间隙关节的耦合作用导致关节接触碰撞力剧烈变化,引起漂浮基空间机械臂的动力学输出更加剧烈;关节的间隙尺寸值越大,漂浮基空间机械臂动力学输出的波动幅值越大,但波动频率会随着间隙值的增大而减小,降低了空间机械臂的运动精度。该研究可为解决多个含间隙关节的漂浮基空间机械臂的高精度轨迹控制问题提供重要的理论依据。     

机械臂任务空间鲁棒Terminal滑模控制

不确定性和外部干扰是制约机器人控制精度的主要因素,传统Terminal滑模控制方法未能考虑机械臂运动学不确定性。提出一种新的机械臂任务空间鲁棒连续非奇异Terminal滑模跟踪控制方法。该方法具有较强的鲁棒性,能够有效克服运动学不确定性、动力学不确定性和外部干扰,保证机械臂任务空间跟踪误差有限时间稳定,将现有机械臂Terminal滑模控制方法从关节空间扩展到任务空间。通过模型转换,同时考虑机械臂运动学不确定性和动力学模型不确定性。使用矢量和矩阵范数定义,给出系统不确定性的界定方法。运用Lyapunov再设计方法和有界稳定理论,分析系统稳定性,明确给出系统调节时间和跟踪误差剩余集的估计方法。仿真中,通过与现有机械臂关节空间Terminal滑模跟踪控制方法比较,验证了所提方法的有效性。     

移动机械臂无碰抓取方法的研究

提出了一种基于A*算法的移动机械臂无碰抓取方法。根据机械臂的初始姿态和目标物体的空间位置以及障碍物的约束,利用A*算法规划出机械臂末端无碰的轨迹,进而利用冗余度机械臂多解的特性,结合逆运动学,给出障碍物约束下基于最小关节角偏移量优化指标的关节角优化方法。同时,机械臂可根据当前环境的变化更新其末端轨迹,并相应调整姿态以提高适应性。仿真验证了该算法的有效性。     

漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动法的模糊控制和柔性振动主动控制

讨论在载体位置不受控、姿态受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂载体姿态与关节轨迹跟踪的模糊控制及柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日假设模态法并结合系统动量守恒关系,建立柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,使用奇异摄动法和两种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制和振动控制可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,设计PD控制器来对柔性杆件的振动进行主动抑制;同时,设计解耦的模糊逻辑控制器来保证慢变子系统载体姿态及关节轨迹的跟踪。由于在系统动力学方程的推导中消去柔性空间机械臂载体位置项,该模糊控制器还同时具有不需要测量反馈载体位置、移动速度、移动加速度项的优点。最后的数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。     

漂浮基姿态受控空间机器人关节运动的自适应模糊滑模控制

重点研究了载体位置无控、姿态受控情况下,空间机器人姿态、关节协调运动的自适应模糊滑模控制问题。由拉格朗丑第二类方法及系统动量守恒关系,建立了漂浮基空间机器人的系统动力学方程。以此为基础,针对空间机器人所有惯性参数均未知的情况,设计了空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应模糊滑模控制方案。数值仿真的结果,证实了该控制方案的有效性。     

柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制

针对载体位置不受控、姿态受控的情况,提出了柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制方案。利用假设模态法、系统动量守恒关系及拉格朗日方法,导出了柔性空间机械臂的系统动力学方程。为解决柔性空间机械臂轨迹跟踪控制及振动抑制问题,运用奇异摄动法将系统分解为慢变、快变两个子系统并分别设计了控制器。慢变子系统采用具有较强鲁棒性的模糊终端滑模控制方案,快变子系统则采用基于降阶状态观测器的线性二次型最优控制器(linear quadratic regulator,简称LQR)。数值模拟结果表明,本文的控制方案不仅保证了柔性空间机械臂载体姿态及机械臂各关节铰跟踪误差在有限时间内的收敛性,而且还大大地降低了滑模控制所固有的抖振,并对柔性臂的振动具有良好的抑制效果。