中国空间科学技术

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空间机器人加注机构碰撞力建模与柔顺控制

张海博1,2    王大轶1,2 魏春岭1,2   

  1. （1北京控制工程研究所，北京 100190） （2空间智能控制技术重点实验室，北京 100190）
  • 收稿日期:2015-04-14 修回日期:2015-05-19 出版日期:2015-08-25 发布日期:2015-08-25
  • 作者简介:张海博 1983年生，2013年获哈尔滨工业大学控制科学与工程专业博士学位，工程师。研究方向为空间机器人操作控制，航天器姿轨协同控制。
  • 基金资助:

    重点实验室基金（9140C590202140C59015）资助项目

ContactDynamicsModelofRefuelingDeviceandComplianceControlforSpaceRobots

ZHANGHaibo1,2 WANGDayi1,2 WEIChunling1,2   

  1. （1BeijingInstituteofControlEngineering，Beijing100190）
    （2ScienceandTechnologyonSpaceIntelligentControlLaboratory，Beijing100190）
  • Received:2015-04-14 Revised:2015-05-19 Published:2015-08-25 Online:2015-08-25

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摘要： 为削弱在轨加注过程中主被动端碰撞冲击对空间机器人的影响，提出了基于力/位混合的柔顺控制律。首先通过第二类拉格朗日方程建立了漂浮基座空间机器人一般运动学模型和考虑环境接触的动力学模型。其次，设计了杆-锥式”加注主被动端装置，根据主被动端的接触特点，建立了点面接触的碰撞动力学模型，并给出相应的碰撞力计算方法。接着，将加注对接问题转化为以基座为参考系的末端运动控制问题，得到了机械臂关节期望运动规律，进而设计了位置环控制律；根据加注主被动端的位置关系计算得到碰撞力，进而设计了力/力矩环控制律，结合顺应选择矩阵最终得到力/位混合控制器，以减小杆锥对接时碰撞对空间机器人基座及末端的冲击影响。最后，仿真结果表明，对接方向的位置误差由初始值降至零，对接过程碰撞产生的力不超过10N，满足末端工具冲击承载。各关节角度变化平缓，关节力矩不超过13Nm，满足机械臂关节力矩最小承载，所设计的控制器使得加注主被动端完成柔顺对接。

关键词: 在轨加注, 杆-锥式模型, 碰撞模型, 碰撞力, 力/位混合控制, 空间机器人

Abstract: Force/positionhybridcompliantcontrollawwasproposedtoweakentheeffectonspacemanipulatorwhenanactivedevicewasinvolvedinacollisionwithapassivedevice.Firstly，usingthesecondkindofLagrangeequations，thefloatingbasespacemanipulatorkinematicsanddynamicsmodelwereconstructedconsideringthecontactenvironment.Secondly，apole-conetyperefuelingdevicewasgiven.Accordingtothecontactcharacteristicsoftheactiveandpassivedevice，apoint-surfacecontactcollisiondynamicsmodelwasestablished，andthecorrespondingcollisionforcecalculationmethodwasgiven.Then，refuelingdockingproblemwasformulatedforspacecraft-referencedendpointmotioncontrolproblem.Onthisbasis，thedesiredmanipulatorend-pointtrajectorywasplannedandthepositionloopcontrollawwasproposed.Thecollisionforcewasobtainedaccordingtothepositionbetweentherefuelingactiveandpassivedevices，andtheforce/torqueloopcontrollawwasproposed.Furthermore，combinedwithadaptationselectionmatrix，theforce/positionhybridcontrollerwasobtainedtoreducethecollisionimpactonspacerobot.Finally，simulationresultsshowthatthedockingdirectionpositionerrorreducestozerofromtheinitialvalue，andthecollisionforceislessthan10Nduringdocking，andjointtorquedoesnotexceed13Nm.Theactiveandpassivedevicescompletecompliantcontractbythedesignedforce/positionhybridcontroller.

Key words: On-orbitrefueling, Pole-conemodel, Impactmode, Contactforce；Hybridforce/positioncontrol；Spacerobot