空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕及抓捕后穩(wěn)定控制方法研究.pdf

1、空間繩系機(jī)器人系統(tǒng)是一種由“空間平臺(tái)+空間系繩+末端抓捕機(jī)構(gòu)”組成的新型空間機(jī)器人系統(tǒng)，和傳統(tǒng)空間機(jī)器人相比，具有操作靈活、操作距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于包括在軌維修、軌道垃圾清理、輔助變軌及在軌空間站輔助組裝等未來(lái)在軌服務(wù)中。空間繩系機(jī)器人按照任務(wù)可以劃分為釋放逼近段、目標(biāo)抓捕段和拖曳/回收段，其中目標(biāo)抓捕及抓捕后穩(wěn)定控制是空間繩系機(jī)器人進(jìn)行在軌服務(wù)的前提。因此，空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕及抓捕后穩(wěn)定控制具有十分重要的研究意義。
　

2、　空間繩系機(jī)器人動(dòng)力學(xué)高度耦合，導(dǎo)致其目標(biāo)抓捕過(guò)程十分復(fù)雜，空間系繩干擾和碰撞力均會(huì)對(duì)空間繩系機(jī)器人的位置和姿態(tài)產(chǎn)生較大的影響，系統(tǒng)參數(shù)不確定性對(duì)目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)帶來(lái)困難；空間繩系機(jī)器人完成對(duì)目標(biāo)抓捕后，由于抓捕過(guò)程中的碰撞和目標(biāo)的自旋，導(dǎo)致抓捕后復(fù)合體不穩(wěn)定，甚至?xí)ㄟ^(guò)空間系繩威脅空間平臺(tái)的安全。因此，本文主要研究空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕及抓捕后穩(wěn)定控制方法，論文的主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：
　　(1)建立了空間繩系機(jī)器人動(dòng)力

3、學(xué)模型。考慮了空間繩系機(jī)器人三軸姿態(tài)、空間系繩長(zhǎng)度、面內(nèi)角和面外角等因素，采用空間系繩珠子模型，利用拉格朗日方法，建立了空間繩系機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)目標(biāo)抓捕及抓捕后穩(wěn)定控制研究提供模型支持。
　　(2)建立了空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕碰撞動(dòng)力學(xué)模型，研究了目標(biāo)抓捕動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。明確了空間繩系機(jī)器人操作手爪和目標(biāo)待抓捕部位結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)操作手爪和目標(biāo)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了操作手爪抓捕過(guò)程碰撞檢測(cè)算法，利用赫茲接觸模型描述操作手爪與目標(biāo)的接觸碰

4、撞過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)抓捕過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。仿真結(jié)果表明：空間繩系機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型中系繩段數(shù)越多，仿真誤差越小，精度越高；在目標(biāo)抓捕過(guò)程中，和系繩拉直模式相比，系繩自由模式對(duì)空間繩系機(jī)器人的位置和姿態(tài)影響更大；抓捕初始時(shí)刻，空間繩系機(jī)器人與目標(biāo)之間相對(duì)線(xiàn)速度和相對(duì)角速度過(guò)大，會(huì)引起目標(biāo)脫離操作手爪抓捕包絡(luò)，導(dǎo)致抓捕任務(wù)失敗。
　　(3)針對(duì)空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制問(wèn)題，基于本文空間繩系機(jī)器人操作手模型，設(shè)計(jì)了基于位置

5、的阻抗控制方法。其中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)空間繩系機(jī)器人模型不確定性進(jìn)行估計(jì)，設(shè)計(jì)魯棒項(xiàng)抑制空間系繩的干擾影響。仿真結(jié)果表明，基于阻抗控制的目標(biāo)抓捕穩(wěn)定控制方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間繩系機(jī)器人目標(biāo)抓捕過(guò)程中的穩(wěn)定控制；仿真對(duì)比表明，本文采用的魯棒自適應(yīng)控制方法可以有效地對(duì)模型不確定性進(jìn)行補(bǔ)償，控制過(guò)程中超調(diào)量更小，收斂時(shí)間更短，并且控制精度更高。
　　(4)針對(duì)目標(biāo)抓捕后復(fù)合體參數(shù)（質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及系繩連接點(diǎn)位置）已知的控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了復(fù)合體穩(wěn)

6、定控制方法。其中，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律對(duì)模型不確定性上限進(jìn)行估計(jì)，并在控制器中進(jìn)行補(bǔ)償；針對(duì)控制輸入飽和問(wèn)題，引入輔助系統(tǒng)，降低控制過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和程度，提高系統(tǒng)的控制性能。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的復(fù)合體穩(wěn)定控制器可以有效補(bǔ)償模型不確定性帶來(lái)的影響，系統(tǒng)超調(diào)量更小，控制過(guò)程更加平穩(wěn)；此外，輔助系統(tǒng)的引入可以有效降低輸入飽和程度，提升系統(tǒng)的控制性能。
　　(5)針對(duì)非合作目標(biāo)抓捕后復(fù)合體系統(tǒng)參數(shù)未知的穩(wěn)定控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)逆的自適