空间机械臂轨迹跟踪、测试及柔性力控制研究

发布时间：2020-05-29 11:43

【摘要】：随着科技的进步,人们探索未知宇宙的好奇心愈发强烈。在空间活动中,空间机械臂是完成空间站组装、维护维修、辅助运营管理、载荷照料和航天员在轨作业支持等操作的重要工具。本文针对我国未来空间站上的空间机械臂,进行了总体设计与运动学建模、轨迹跟踪控制、技术指标测试及柔性力控制的相关工作,为我国在研的空间站机械臂提供技术支持。主要研究内容如下:首先针对总体任务分析,进行了空间机械臂的总体设计。采用模块化对称设计与7自由度的配置方案。其中,两个腕部各有3个自由度、肘关节有1个自由度,小臂两端各安装1个末端作用器,两末端作用器交替抓捕固定在舱表的目标适配器,实现爬行功能。然后针对空间机械臂设计构型,采用Craig方法建立正运动学模型。对于逆运动学的求解,考虑到准确、快速且在轨程序的稳定性,采用固定1个关节转而求解6自由度机械臂逆运动学的方法,求得逆运动学的解析解。然后研究了空间机械臂的轨迹跟踪控制。高精度的轨迹跟踪控制是空间机械臂顺利完成太空任务的关键环节。考虑到空间机械臂具有模型不确定性及外界扰动,设计了自适应径向基的反步滑模控制器,数值仿真实验证明了算法的有效性。由于该算法在工程应用上设计较为复杂,进而提出了线性自抗扰轨迹跟踪控制算法。线性扩张状态观测器能够对广义扰动实现有效估计。最后,线性自抗扰的空间机械臂数值仿真实验及工程样机实验均验证了算法的可行性,具有一定的工程应用价值。进一步针对装配完成的空间机械臂工程样机,提出了标定测试、位姿精度测试、速度和加速度测试的测试方法。对于不规则的机械臂末端手爪,提出了基于独特几何外形的手爪坐标系建立方法;对于内置的关节轴线,则采用圆周拟合法对每个关节轴线进行建立;对于速度与加速度指标的测试,采用对位姿微分与二次微分的方式完成机械臂末端线速度、角速度、线加速度与角加速度的测试。最后针对实际工作中遇到的光路遮挡问题给出了API移站与三轴一体相结合的解决方法。对空间机械臂的指标测试验证了整体设计指标的满足度,为检测前期加工及单机、整机装配成果,以及后续大型试验的进行,均提供了强有力的保障。最后,针对空间机械臂在轨的典型任务——大口径望远镜组装,搭建了空间机械臂柔性力控制地面演示系统。设计了六维力/力矩传感器及其数据采集系统,并提出了基于最小二乘法求解实现了对机械臂的重力补偿。进而设计了机械臂柔性力控制算法,结合负载外力产生的末端移动与负载外力矩产生的末端转动两种情况,设计V-F和?-M_(ema x)曲线控制机器臂的移动和转动。最后进行了机械臂柔性力控制的地面演示试验,实现了机械臂柔性力控功能,在整个子镜模块的抓取、搬运、组装过程中,运行平稳无抖动,达到了良好效果。为后续面向在轨的搬运和组装任务,验证了技术流程,提供了技术积累。
【图文】：

机械臂

器、9 个红外传感器、触觉阵列及一对摄像机。在 1997 到 1999 年间，日本研制了 ETS-VII 机械臂，实现了首次在太空抓由运动的在轨卫星实验[23]。如图 1.4 所示，ETS-VII 具有 6 个自由度，长约米，重量约为 150kg。每个关节均有无刷直流电机及谐波减速器驱动。机械端安装了一个 6 维力/力矩传感器和一对微型摄像机，主要用于抓取有效载荷运行轨道上完成部件置换工作。ERA 是由欧空局在国际空间站的俄罗斯舱段上安装的具有 7 自由度的欧洲人手臂，如图 1-5 所示，它具有对称结构，利用两个手腕实现在空间站的移动配及舱外活动，进而减少宇航员的舱外时间，降低危险[24]。意大利空间局与欧空局共同开发了一个具有 7 自由度的空间机器ERICO[25]，如图 1.6 所示，它的臂长 1.75 米，重量约为 58kg，具有力传感器置传感器。它可以安装在 ERA 的末端，执行更为精细的空间任务。

机械臂

器、9 个红外传感器、触觉阵列及一对摄像机。在 1997 到 1999 年间，日本研制了 ETS-VII 机械臂，实现了首次在太空抓由运动的在轨卫星实验[23]。如图 1.4 所示，ETS-VII 具有 6 个自由度，长约米，重量约为 150kg。每个关节均有无刷直流电机及谐波减速器驱动。机械端安装了一个 6 维力/力矩传感器和一对微型摄像机，主要用于抓取有效载荷运行轨道上完成部件置换工作。ERA 是由欧空局在国际空间站的俄罗斯舱段上安装的具有 7 自由度的欧洲人手臂，如图 1-5 所示，，它具有对称结构，利用两个手腕实现在空间站的移动配及舱外活动，进而减少宇航员的舱外时间，降低危险[24]。意大利空间局与欧空局共同开发了一个具有 7 自由度的空间机器ERICO[25]，如图 1.6 所示，它的臂长 1.75 米，重量约为 58kg，具有力传感器置传感器。它可以安装在 ERA 的末端，执行更为精细的空间任务。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP241

【参考文献】