含弹簧阻尼装置空间机器人捕获卫星操作力学分析及缓冲、柔顺控制

为了在空间机器人捕获卫星操作过程中保护关节不受冲击破坏,在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD)。该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量,还能配合柔顺策略将冲击力矩限制在安全范围内。分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法建立了碰撞前的分体系统动力学方程;基于位置、速度约束与牛顿第三定律导出了碰撞后的混合体系统动力学方程,且对碰撞冲击效应与碰撞力进行了计算;针对捕获操作碰撞时间短、数据源少的问题提出了一种基于Barrier-Lyapunov函数的自适应积分强化学习控制方案;通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性,通过数值仿真表明了SDD的抗冲击性能与柔顺策略的有效性。

含弹簧阻尼缓冲机构空间机器人捕获卫星操作的避撞柔顺强化学习控制

针对空间机器人捕获卫星操作过程中,关节因受冲击载荷而易造成冲击破坏的问题,在关节电机与机械臂之间设计了一种弹簧阻尼缓冲机构.缓冲机构不仅能利用弹簧实现捕获操作过程的柔顺化,利用阻尼器实现碰撞能量的吸收及柔性振动的抑制;还能通过合理设计与之配合的避撞柔顺策略使关节所受冲击力矩限定在安全范围内.首先,分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法导出了碰撞前的空间机器人与被捕获卫星的分体系统动力学方程;然后,结合Newton第三定律、捕获点的速度约束、各分体的位置约束获得了捕获后的混合体系统动力学方程,且基于动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力;最后,提出了一种结合缓冲机构的避撞柔顺强化学习控制方案,该方案通过实时与动态环境试错交互得到惩罚信号,并利用惩罚信号对控制器进行优化,实现对失稳混合体系统的镇定控制.利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性;数值仿真验证了缓冲结构的抗冲击性能及所提策略的有效性.

含弹簧阻尼装置空间机器人捕获卫星分数阶超扭滑模缓冲柔顺控制

针对双臂空间机器人捕获非合作卫星的关节保护问题,在关节电机与机械臂之间加入一种弹簧阻尼装置(SDD),实现了碰撞冲击能量的缓冲、卸载;通过三阶观测器对系统的速度和加速度进行重构,解决了关节受空间限制未能安装速度、加速度传感器导致速度、加速度无法测量的问题;提出了一种匹配SDD的分数阶超扭滑模柔顺控制策略,实现了捕获后的闭链混合体系统的镇定控制,并通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性。数值仿真结果表明:SDD可将碰撞冲击载荷减小52.25%,柔顺策略可有效限制关节瞬时冲击力矩。

Unified Vibration Suppression and Compliance Control for Flexible Joint Robot

An adaptive control scheme is presented,which can simultaneously realize vibration suppression and compliance control for flexible joint robot(FJR).The proposed control scheme provides a unified formulation for both vibration suppression mode,where FJR tracks the desired position with little vibration,and compliance mode,in which FJR presents passive.Instead of designing multiple controllers and switching between them,both modes are integrated into a single controller,and the transition between two modes is smooth and stable.The stability of the closed-loop system is theoretically proven via the Lyapunov method,with the considering the dynamics uncertainties in both link side and motor side.Simulation results are presented to illustrate good performances of the proposed control scheme.

配置弹簧阻尼空间机器人基于灰狼优化算法的双臂捕获卫星操作缓冲柔顺控制

空间机器人在捕获卫星操作过程中会发生剧烈碰撞,若不对其脆弱的关节进行保护,则可能造成空间机器人的损坏.为此在空间机器人关节电机与机械臂之间加入一种弹簧阻尼机构,该机构不仅可以在碰撞过程中缓冲、吸收冲击能量,而且可以通过设计与之配合的柔顺策略实现混合体系统的镇定控制.首先,针对捕获前的双臂空间机器人开环系统与目标卫星系统,分别利用Lagrange法与Newton-Euler法建立分体系统动力学模型;结合动量定理、速度约束、闭链几何约束及牛顿第三定律,导出捕获后的闭链混合体系统动力学模型,并计算冲击效应与碰撞力;然后,针对混合体系统的控制问题,提出一种配合弹簧阻尼机构的积分终端滑模控制方案,通过灰狼优化算法对滑模控制器的参数进行优化,实现混合体系统快速、稳定的镇定控制;最后,利用Lyapunov定理证明系统的稳定性,并通过数值仿真验证缓冲机构的抗冲击性能与柔顺策略的有效性.