空間繩系機器人目標抓捕及抓捕后穩(wěn)定控制方法研究.pdf

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

2、　空間繩系機器人動力學高度耦合，導致其目標抓捕過程十分復雜，空間系繩干擾和碰撞力均會對空間繩系機器人的位置和姿態(tài)產(chǎn)生較大的影響，系統(tǒng)參數(shù)不確定性對目標抓捕穩(wěn)定控制器設(shè)計帶來困難；空間繩系機器人完成對目標抓捕后，由于抓捕過程中的碰撞和目標的自旋，導致抓捕后復合體不穩(wěn)定，甚至會通過空間系繩威脅空間平臺的安全。因此，本文主要研究空間繩系機器人目標抓捕及抓捕后穩(wěn)定控制方法，論文的主要研究內(nèi)容及成果如下：
　　(1)建立了空間繩系機器人動力

3、學模型。考慮了空間繩系機器人三軸姿態(tài)、空間系繩長度、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，建立了空間繩系機器人動力學模型，為后續(xù)目標抓捕及抓捕后穩(wěn)定控制研究提供模型支持。
　　(2)建立了空間繩系機器人目標抓捕碰撞動力學模型，研究了目標抓捕動力學問題。明確了空間繩系機器人操作手爪和目標待抓捕部位結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)操作手爪和目標的特點，設(shè)計了操作手爪抓捕過程碰撞檢測算法，利用赫茲接觸模型描述操作手爪與目標的接觸碰

4、撞過程。在此基礎(chǔ)上，對目標抓捕過程進行了動力學分析。仿真結(jié)果表明：空間繩系機器人動力學模型中系繩段數(shù)越多，仿真誤差越小，精度越高；在目標抓捕過程中，和系繩拉直模式相比，系繩自由模式對空間繩系機器人的位置和姿態(tài)影響更大；抓捕初始時刻，空間繩系機器人與目標之間相對線速度和相對角速度過大，會引起目標脫離操作手爪抓捕包絡，導致抓捕任務失敗。
　　(3)針對空間繩系機器人目標抓捕穩(wěn)定控制問題，基于本文空間繩系機器人操作手模型，設(shè)計了基于位置

5、的阻抗控制方法。其中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡對空間繩系機器人模型不確定性進行估計，設(shè)計魯棒項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抓捕穩(wěn)定控制方法可以實現(xiàn)對空間繩系機器人目標抓捕過程中的穩(wěn)定控制；仿真對比表明，本文采用的魯棒自適應控制方法可以有效地對模型不確定性進行補償，控制過程中超調(diào)量更小，收斂時間更短，并且控制精度更高。
　　(4)針對目標抓捕后復合體參數(shù)（質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量及系繩連接點位置）已知的控制問題，設(shè)計了復合體穩(wěn)

6、定控制方法。其中，設(shè)計了自適應律對模型不確定性上限進行估計，并在控制器中進行補償；針對控制輸入飽和問題，引入輔助系統(tǒng)，降低控制過程中執(zhí)行機構(gòu)飽和程度，提高系統(tǒng)的控制性能。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的復合體穩(wěn)定控制器可以有效補償模型不確定性帶來的影響，系統(tǒng)超調(diào)量更小，控制過程更加平穩(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)針對非合作目標抓捕后復合體系統(tǒng)參數(shù)未知的穩(wěn)定控制問題，設(shè)計了一種基于動態(tài)逆的自適