空间桁架在轨装配机器人的运动规划方法

提出一种利用机器人完成空间桁架在轨装配的设计方案,并针对其中机器人的无碰运动规划问题,提出一种引入启发信息的运动规划方法。首先,设计了装配机器人和空间桁架系统;随后,引入基于距离场的碰撞检测算法进行空间中的障碍检测,并利用随机轨迹优化框架下的运动规划(stochastic trajectory optimization for motion planning,STOMP)算法进行机器人无碰运动规划;针对其中随机叠加轨迹方向不确定导致的规划效率低的问题提出了启发式STOMP(heuristically STOMP,hSTOMP)运动规划算法。仿真结果表明该算法能够快速得到机器人的无碰平滑关节轨迹,其中启发信息的引入大大提高了原算法的规划效率,具有一定的理论意义和应用价值。

一种用于空间在轨装配的两级递阶智能规划算法

为了解决空间装配规划问题,分别在桁杆层通过连接矩阵来表示装配序列,在结构单元层通过定向图表示法保证装配任务的可行性,并给出了一种多空间机器人连续装配策略。由此提出了一种两级递阶智能规划算法:一级规划根据分层表示,通过考虑装配方向和时间影响的改进蚁群算法生成无任务分配的装配序列;二级规划根据连续装配策略和一级序列,进一步通过考虑任务空闲度和路径效率影响的改进蚁群算法递阶生成有任务分配的装配序列。算例研究分别给出了两级规划得到的装配序列,并检验该算法是可行的。

大型空间结构在轨装配技术的发展

许多空间任务都要求大型空间结构,而这些结构无法用运载工具从地球上以独立单元发射,只能在太空中构建。讨论了3种大型空间结构的构建方法,叙述了大型空间结构在轨装配技术发展的两个阶段,即具有装配辅助的宇航员手动装配阶段和空间机器人装配阶段,展望了未来采用高度自主空间机器人系统进行在轨装配的发展潜力。

大型空间天线在轨装配技术

随着空间技术的发展,大型可展开天线需要在轨装配。在总结国外在轨装配技术发展现状的基础上,阐述了单元拼接式天线的模块设计技术,并根据单元拼接式大型天线的在轨装配任务要求,研究了在轨装配技术方案和地面试验验证方案。预期为我国大型空间天线的在轨装配研究提供有益参考。

用于桁架在轨装配的单向触发搭接机构建模与仿真

针对桁架结构在轨搭接过程中节点插接脱离共存问题,提出了一种由外部驱动,单向触发,能够实现桁架节点锁紧与解锁功能顺次切换的搭接机构,运用Matlab插值方法对搭接机构进行参数化设计,利用Adams软件对虚拟样机模型进行仿真。结果表明:搭接机构能够在单向驱动触发下实现被导向零件的唯一确定运动轨迹,并完成解锁与锁定状态的顺次切换。研究结果能够为复杂大型桁架结构的搭接机构设计提供一种新的思路。

用于在轨装配锁紧释放机构的设计

根据未来空间站发展方向提出的模块化航天器的设计要求,设计了一种基于"无源"锁紧技术和形状记忆合金释放技术的锁紧与释放机构。利用三维建模软件绘制在轨装配模块的三维模型,其中包括主动模块、被动模块以及实验架等。通过ADAMS仿真软件对在轨装配模块锁紧与释放过程进行仿真分析,将得到的锁紧与释放机构的仿真运动数据与理论设计进行对比,验证了该机构能够完成既定的设计目标。

在轨装配小卫星结构振动特性分析

针对在轨装配卫星的结构动力学要求,提出基于固有模态的卫星本体结构动力学特性快速分析与辨识方法。建立了小型卫星基体动力学模型,并结合有限元计算对框架式模块化结构和多层平台堆栈式的刚度特性比较分析。结果表明,在30 kg量级上框架式本体结构布局具有更高的基频,可靠性和稳定性更好,功能也更加灵活,具有更好的适应性。

基于拓展CBBA算法的在轨装配航天器任务分配技术研究

针对大型空间结构的在轨装配任务分配问题,提出了基于扩展一致性算法的拍卖算法,在考虑在轨装配过程中运输、安装等任务的时间先后特性以及某些特定复杂任务需要多航天器协同完成的任务约束条件下,解决将各项任务分配给多个多种类航天器的在轨装配任务分配问题。算法首先针对复杂装配任务的类别约束及时间窗约束设计了新的竞价函数,然后提出了一种新的一致性算法,使算法可以处理多智能体任务分配问题。实验结果表明,提出的任务分配算法可以得出多航天器在轨装配任务分配问题的无冲突解决方案,可以保证复杂在轨装配任务的成功分配。

“国际空间站”测试在轨装配整星技术

据国防科技情报网站2016年1月16日报道，“国际空间站”正在利用NovaWurks公司研发的“高度集成的细胞星”（HISat）模块，开展“细胞星初始任务验证及经验”（SIMPL）试验，测试在轨组装整星技术。SIMPL包括8个基本组件、6个HISat和两个太阳能电池阵。这些试验设备已于2015年12月送入“国际空间站”，在轨组装整星后再部署运行。

机器人在轨装配无标定视觉伺服对准方法

针对在轨装配过程中机器人"手眼"关系无法进行有效标定及机器人系统和被操作物惯性参数不定的情况,在传统的无标定视觉伺服基础上设计了深度估计器,基于机器人和图像运动的测量数据在线估计目标特征的深度值,并在机器人关节控制环中设计滑模控制器实时控制机器人关节运动,根据反馈图像信息纠正系统误差完成对准跟踪,通过仿真验证了方法的有效性。所提的无标定视觉伺服对准方法使机器人在装配过程中免去了复杂的"手眼"关系的标定程序,克服了机器人系统及被操作物惯性参数不确定性给装配精度造成的影响,提高了"手眼协调"的鲁棒性,保证机器人能够在复杂的太空环境下完成在轨装配任务。

一种空间机械臂无视觉在轨柔顺装配方法

针对空间机械臂在轨装配中避免刚性碰撞的需求和缺少视觉反馈的问题,提出一种无视觉在轨柔顺装配方法.首先给出一种基于阻抗控制的柔顺控制器,使机械臂末端运动能够体现出期望的"质量—弹簧—阻尼"的动力学特性.在此基础上,提出一种不依赖于视觉反馈的装配方法,能够自主探寻装配孔并完成装配,该方法简单有效,在装配过程中无需视觉信息,解决了在轨操作中关键的自主寻孔问题.最后通过地面实验验证柔顺控制方法的有效性.本文所提出的方法具有较强的工程价值和应用前景,能够为空间操作和在轨服务提供技术基础.

国外在轨制造和装配技术发展现状及启示

在轨制造和装配技术是一项改变航天器研制模式的颠覆性技术。为全面了解国外关于在轨制造和装配技术的发展现状以及研制过程中所面临的挑战等,本文重点调研了欧美航天强国关于在轨制造和装配领域的发展情况,通过对国外目前在轨制造和装配领域科研项目的梳理为突破口,按照应用前景和技术特点将其分为三类:在轨制造、在轨装配和在轨构建;然后,从在轨制造所采用的材料和技术途径等方面,分析了在轨制造的研究现状和所面临的技术挑战;从在轨装配的对象、方式以及部件连接型式等方面,分析了在轨装配的研究现状和所面临的技术挑战;从在轨构建领域重要的技术联盟分析出发,梳理了各技术联盟重点研究方向、目前技术水平和下一步研究计划等;最后,对国外在轨制造和装配进行了总结,提出了一些发展启示,对我国关于在轨制造和装配领域十四五领域发展规划制定、下一步重点支持方向确定、项目支持方式选择等具有一定的指导意义,可供开展产学研结合的技术联盟成立所借鉴。

空间在轨装配技术综述

代表国家科技实力的空间站、空间望远镜、大型通信天线、空间太阳能电站、在轨燃料补给站、深空探测中转站及地外基地等空间大型平台和基础设施的建设需求日益迫切,如何对此进行智能自主建造是当前的巨大技术挑战。鉴于大型平台与基础设施在未来空间探索中的重要性,国内外航天研究机构均提出并发展了在轨装配的系列技术方案。本文主要对在轨装配研究现状和技术发展情况进行系统地综述。首先分析了有人与无人在轨装配的国内外技术进展,总结了在轨装配技术的发展路线、装配层次与方法;然后在此基础上,详细梳理了在轨装配的技术需求和应用前景,并得出在轨装配的使能关键技术——模块化技术、机器人技术和地面模拟装配技术,预期为中国未来的空间在轨装配研究提供有益的参考。

机器人在轨构建空间桁架结构的装配序列规划方法

针对机器人在轨构建空间桁架结构的装配序列规划问题,提出一种可同时求解装配单元装配序列与机器人运动的序列规划方法。首先设计了装配机器人并建立了动力学模型;其次,对机器人在整个装配过程中的运动进行了分类并分别给出了规划与控制方法;然后,建立了装配序列规划的评价指标并采用离散粒子群算法求解。最后,以常用空间桁架结构为例,通过仿真校验了所提方法的有效性。

面向在轨装配的八索并联机构构型设计与工作空间分析

针对大型空间结构的在轨装配任务,提出了由八根绳索驱动的索并联机构,具有结构简单、质量轻、工作空间大的特点;针对绳索并联机构的构型综合问题,定义了出线点和绳索与中心执行器连接点的关联矩阵,在此基础上考虑约束条件综合出了八索并联机构的18种有效构型;计算了不同构型的力封闭工作空间以及针对在轨装配任务时的力螺旋可行工作空间,以工作空间体积为指标筛选出了最佳构型;分析了绳索拉力范围以及绳索与中心执行器连接点的位置变化对机构力螺旋可行工作空间的影响,并且对连接点的位置参数进行了优化。

面向航天器在轨装配的数字孪生技术

构建航天器在轨维修维护能力是确保空间系统长期稳定工作的有效途径,而对于空间环境中的在轨装配过程的模拟、监控、诊断和预测,目前的研究尚处于探索阶段,研究成果相对较少且缺乏整体解决方案。提出采用构建航天器数字孪生体的方式,来抽象表达航天器完成在轨装配的过程、状态和行为。首先分析了在轨装配航天器的结构组成及功能需求,然后系统阐述了航天器数字孪生体的数据组成、实现方式和作用,最后给出了航天器数字孪生体在设计、制造和在轨服务阶段的实施途径,并对航天器数字孪生体的作用进行了总结和展望。

在轨3D打印及装配技术在深空探测领域的应用研究进展

以太阳帆深空探测为引子,对以在轨3D打印及装配技术为基础的在轨制造技术的必要性和可行性进行分析,分别阐述了在轨3D打印技术的技术优势、技术可行性以及在轨装配的最新研究进展,并重点研究了美国NASA资助的"蜘蛛制造"在轨制造技术,此项研究成功地将在轨3D打印和空间自主装配有机结合起来,有望突破目前空间可展开机构无法达到万米量级的技术局限性,为中国深空探测的发展提供了一种可供选择的发展思路。

空间在轨装配中的机器人发展

空间机器人技术在空间在轨装配中扮演了越来越重要的角色。本文通过对世界主要航天国家的空间在轨装配机器人技术进行介绍,针对典型的空间机器人进行了总结。通过对各国机器人的相关技术的介绍,为中国在轨装配机器人的发展提供了可供发展的依据。

面向在轨服务的可重构细胞卫星关键技术与展望

为解决传统航天器设计模式所面临挑战,本文分析了当前航天器设计的技术现状和体系结构不能满足在轨服务要求等突出问题。以'凤凰重生'的设想为代表,提出了面向在轨装配任务的可重构细胞卫星技术,分析了细胞卫星的内涵和结构及接口设计理念。针对面向空间装配的在轨服务所面临的挑战,提出了可重构细胞星的关键技术,包括构型优化、信息融合、多细胞结构的控制和针对精细装配的空间遥操作等。最后针对我国的技术现状,提出了我国开展细胞卫星研究所需解决的问题和未来发展建议。

空间大型结构体组装接口设计及装配性能分析

为满足超大型(公里级)空间结构在轨组装的需求,设计了一种全新的空间大型结构体组装接口并对其装配性能进行了详细的分析。首先,详细设计了一种纯机械式双锁定组装接口。其次,通过建立接口运动学模型,对组装接口的容差性能进行了分析,得出X方向容差为14.25 mm,Z方向容差为15.84 mm,绕X,Y,Z三个轴的角度容差分别为5.65°、5.51°和5.34°。最后,对对接接口进行了ADAMS仿真分析,验证了容差分析的正确性,得到了对接机构接触力与静摩擦系数、机械臂推力、碰撞锥角之间的非线性影响关系,为空间对接机构的设计奠定了基础。