空间机器人双臂捕获航天器操作的无源自抗扰避撞从顺控制

针对空间机器人双臂捕获非合作航天器过程中避免关节受冲击破坏的避撞从顺控制问题,在机械臂与关节电机之间设计了一种由旋转型串联弹性执行器(RSEA)构成的弹簧缓冲装置.通过缓冲弹簧变形来吸收捕获碰撞阶段产生的冲击能量,并采用合理的避撞从顺控制策略,保证镇定运动阶段关节受到的冲击力矩限制在安全范围内.应用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法,分别建立捕获前双臂空间机器人开环系统及航天器系统动力学模型;结合冲量定理、闭链系统位置及运动学关系,得到捕获操作后两者所构成闭链混合体系统的动力学模型.为实现失稳混合体系统的镇定,提出了一种基于无源性理论的自抗扰避撞从顺控制方案.此外,运用最小权值范数法对机械臂各关节力矩进行分配,保证了各臂协调操作.通过数值模拟,验证了缓冲装置的抗冲击性能及控制策略的有效性.

空间机器人双臂捕获航天器操作的力/位置控制

针对漂浮基空间机器人双臂夹持捕获航天器过程的冲击效应及其后镇定运动的力/位置控制问题,本文提出了一种基于无源性理论的模糊控制方案。依据多刚体系统动力学理论,获得了捕获前双臂空间机器人及目标航天器的动力学模型;应用系统动量守恒关系,捕获后闭链系统运动几何关系及力的传递规律,分析了捕获接触、碰撞过程对闭链系统产生的冲击效应,并进而建立了捕获操作完成后两者形成的闭链混合体系统动力学方程。以此为基础,针对非合作航天器带来的系统建模误差及扰动,基于无源性理论并结合速度观测器,设计了捕获操作后闭链混合体系统夹持操作的镇定运动力/位置模糊滑模控制方案。结果表明:提出的方案无需实际测量相关速度信号,并具有基于无源性理论所设计控制方案本身秉承的良好动态特性及较强的鲁棒性;可以有效抵御捕获操作引起的较强冲击效应对控制系统的干扰,快速实现闭链混合体系统的运动镇定。系统数值模拟仿真结果验证了所提控制方案的正确性。