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沈阳自动化所可展开空间机械臂研究取得新进展（图）
空间机械臂 空间机器臂 航天器
2023/4/27
2023年4月27日，中国科学院沈阳自动化研究所在空间机械臂领域研究取得了新进展。为应对碎片清除、在轨组装和制造等复杂空间任务，科研团队创新性地研制出一种1U尺寸（10cm*10cm*10cm）的可展开空间机器臂Cubot。相关论文以封面形式发表于Space: Science & Technology期刊 (DOI: 10.34133/2022/9894604) 。
针对如何在地面机械臂上有效验证空间机械臂控制律的问题, 本文研究空间机械臂和地面机械臂系统间 的动力学等效条件和控制相似律. 首先, 基于量纲分析研究地面机械臂和空间机械臂之间的动力学等效条件, 并基 于等效条件设计地面机械臂系统. 其次, 基于量纲分析建立空间和地面机械臂系统间的控制相似律, 设计的空间机 械臂控制律通过控制相似律将可以转化为地面机械臂相应的控制律. 最后, 考虑地面机械臂基座往...
针对安装有两连杆机械臂的航天器对地球圆轨道上的空间目标已形成自由绕飞（即满足齐次CW方程）的情形，研究通过机械臂抓取该目标的系统动力学建模与制导控制问题。在目标固连旋转参考系下，运用非惯性系下的拉格朗日分析力学，建立了两连杆机械臂系统动力学方程。忽略惯性耦合影响，对模型进行了合理简化，在此基础上设计了机械臂末端执行器即机械手抓取目标的寻的制导控制规律。然后代入原始复杂模型，进行数值仿真校验。结果...
针对宇航员在轨出舱维护需求，提出一种机械锁紧与电气连接独立操作的快换接口，该快换接口具有在空间环境下拆装快速、拆装操作力小的特点，同时满足机械臂的刚度与承载能力。该接口由容差对接接口本体、机械连接锁紧装置、电连接器组件、电连接器插拔装置四个功能模块组成。采用双圆锥面配合设计容差对接凸凹本体结构。根据宇航员舱外操作的需求选择了具有平面浮动能力的快换接口电连接器，设计浮动装置使得该电连接器具有超行程量...
空间机械臂关节故障引起速度突变的抑制
空间机械臂 旋量理论 关节故障 突变抑制
2016/1/15
针对空间机械臂关节发生故障后的末端速度突变问题，提出一种基于退化雅克比矩阵的突变抑制方
法。首先利用旋量理论建立空间机械臂的通用运动学模型，然后通过重构数学模型和调整控制模型与运行参数，
引入补偿项，实现模型重构和在线调整中的平滑特性。并且开展了机械臂正常运行、故障运行和故障后抑制运行
这三种工况下的控制仿真。结果表明，此方法对于实现单关节故障状态下机械臂末端速度突变抑制是有效的，对
提高...
考虑在轨运动可靠性的空间机械臂关节力矩优化方法
冗余度空间机械臂 关节力矩优化 关节力矩均值和最小 粒子群算法
2015/11/13
提出一种考虑在轨运动可靠性的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法。首先将机械臂操作空间中点到点的转移任务从笛卡尔空间转换至关节空间，利用七次多项式插值法对各关节变量进行参数化处理，获得粒子群算法的优化控制参数；与传统路径规划方法不同，将机械臂各关节力矩的均值和最小作为粒子群算法优化求解的目标函数；依据该目标函数以及相应优化控制参数，利用粒子群算法对空间机械臂运行轨迹进行优化求解，得到机械臂关节力矩均值...
空间机械臂的确定性学习控制
基于模式的控制 机械臂系统 确定性学习
2014/9/29
研究一类空间机械臂系统的基于模式的控制方法。首先在训练阶段，基于确定性学习理论设计自适应神经网络控制器使机械臂系统跟踪不同的任务模式，得到对应于不同任务模式的一系列空间机械臂闭环动态的局部准确神经网络建模，并利用这些模型构造对应不同任务模式的常值神经网络控制器。其次，在测试阶段，首先快速识别出任务模式，然后调用相应的常值神经网络控制器实现对空间机械臂系统基于模式的闭环控制。理论证明基于模式的控制方...
空间机械臂自适应扩展雅克比零反作用控制
自由漂浮空间机械臂 自适应控制 参数不确定性 零反作用控制
2014/7/15
针对自由漂浮空间机械臂执行在轨服务(On Orbit Servicing, OOS)时对基座姿态的扰动问题，设计了一种基于扩展雅克比矩阵的自适应零反作用运动控制器。通过巧妙利用角动量守恒定律，解决了广义雅克比矩阵的非线性参数化问题。基于此，将运动学不确定性和动力学不确定性都考虑在内，采用李雅普诺夫稳定性分析工具，得到了自适应零反作用运动控制器，可以同时实现航天器姿态调节和机械臂末端执行器对任务空间...
针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题，建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型，该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度，而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法，并以此建立关节力矩控制系统，利用Runge\|Kutta算法对关节精细动力学模型进行了数值计算。计算结果表明，此关节力矩控制方法约有1.7%的稳态误差，能满足关节力...
双柔性空间机械臂动力学建模与控制
航空航天科学技术基础学科 空间机械臂 柔性关节 柔性杆 自然坐标法 绝对节点坐标法 轨迹跟踪
2013/8/19
大多数研究者在空间机械臂动力学建模时，只考虑了关节柔性或者臂杆柔性，并且通常采用假设模态法对臂杆的变形进行描述，但该方法仅适用于小变形情况。基于这种情况，采用自然坐标法对柔性关节进行建模和绝对节点坐标法对柔性臂杆进行建模，得到了既包含关节柔性又包含臂杆柔性的空间机械臂动力学方程，并能精确地描述臂杆的小变形以及大变形。利用5次多项式对关节轨迹进行规划，通过逆动力学得到关节的前馈驱动力矩；采用PID控...
基于主任务零空间的空间机械臂重复运动规划
空间机械臂 在轨操作 任务优先级 重复运动规划
2013/8/15
针对空间机械臂执行封闭在轨操作任务时，终止时刻机械臂关节角与基座位姿发生漂移的问题，提出一种基于主任务零空间的空间机械臂重复运动规划方法。结合在轨操作任务特点，分析了空间机械臂重复运动要求，将重复运动问题转化为关节构型、末端姿态与基座姿态复位优化问题并设计了空间机械臂重复运动优化算子；在此基础上，引入任务优先级概念，将重复运动优化算子引入主任务的零空间，保证主任务完成的同时机械臂重复运动得以优化；...
多目标融合的冗余空间机械臂碰前轨迹优化
空间机械臂 碰前轨迹优化 主任务零空间 遗传算法
2013/7/5
面向在轨对接与装配任务，提出了多目标融合的冗余度空间机械臂碰前轨迹优化方法。通过分析任务特点，阐述了空间机械臂碰前的多重任务目标。针对由空间机械臂连续轨迹跟踪、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第一类任务，通过设置任务优先级融合多目标并采用基于主任务零空间的方法实现对碰前轨迹的优化；而对由空间机械臂点到点规划、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第二类任务，通过设置任务权重将多目...
研究齿隙存在情况下机械臂末端定位误差达到要求精度的概率。分析了现有齿隙模型的优点和缺点,对其中的死区模型进行改进,提出齿隙的随机变量模型。将此模型作为3关节机械臂的关节误差,导出机械臂末端定位误差的随机模型,并利用Taylor公式对模型作了近似处理,得到以关节误差的二次函数表示的简化模型，并在关节空间中讨论了末端定位误差的最大值和最小值问题。分4种情形给出定位误差达到要求精度的概率，为多阶段任务系...
关节是空间机械臂的核心部件，是保证空间机械臂安全、平稳运行的关键。为全面反映大型空间机械臂关节的动力学特性并从细节之处优化关节设计，利用集中参数法建立了综合考虑轮齿柔性、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合误差等非线性因素的细化关节动力学模型。模型中采用一种基于tanh的连续函数对传统分段线性间隙函数进行近似，从而降低了模型的求解难度。研究了各级齿轮精度、关节转速和负载对关节动力学特性的影响。仿真结果表明，三...