空间机械臂在轨插拔孔操作的超扭曲滑模阻抗控制

针对空间机械臂在执行在轨部件替换、在轨燃料加注以及空间站站内任务时所涉及的插拔孔操作控制问题,提出了一种空间机械臂在轨插拔孔操作的超扭曲滑模阻抗控制策略。首先,结合空间机械臂末端部件插头输出插拔孔主动力与孔内摩擦阻力作用关系,利用第二类拉格朗日方程,建立了载体位置、姿态均不受控下,漂浮基空间机械臂在轨插拔孔操作过程系统动力学方程。其次,由空间机械臂末端部件插头位姿及其输出插拔孔主动力之间的动态关系以及阻抗控制原理,建立了阻抗控制模型。最后,针对系统同时存在动力学不确定与外部扰动,将超扭曲算法与滑模控制结合,从而设计了超扭曲滑模阻抗控制策略;并通过李雅普诺夫理论,证明了控制系统的稳定性。该控制策略将滑模控制中的高频切换部分隐藏至滑模变量的高阶导数中,有效抑制普通滑模算法产生的抖振,同时补偿系统的不确定与外部扰动。数值仿真结果表明,部件插头位置精度均优于1 mm,姿态精度均优于0.5°,输出力精度均优于1.5 N,验证了所提出控制策略的有效性。

空间机器人在轨桁架组装操作基于自适应模糊CNF的阻抗控制

空间桁架作为空间站一类重要基础设施,在空间站建设中起着不可替代的作用。考虑到组装好的空间桁架所占空间以及火箭的运载能力,一般采用将桁架部件发射入太空并在轨道完成组装。为实现空间桁架的组装、维护等太空任务,对空间机器人在轨插、拔孔操作的力/位姿阻抗控制进行了研究。建立了载体姿态受控形式的空间机器人系统动力学模型;通过桁架部件插头的运动学约束,建立了插头在基连坐标系下的运动学关系。基于阻抗控制原理,根据插头位姿与其输出力之间的动态关系建立了二阶线性阻抗模型,以实现在轨插、拔孔操作过程中输出力的精确控制。提出了一种自适应模糊组合非线性反馈(composite nonlinear feedback,CNF)控制策略,通过模糊控制器拟合系统不确定参数,作为CNF控制器的补偿输入,以降低不确定参数的影响,提高位姿的控制精度。通过Lyapunov原理证明了系统的稳定性;利用仿真分析,验证了控制策略的有效性。