漂浮柔性基、柔性关节空间机器人的动力学与奇异摄动混合控制研究

Space robot plays an important role in lots of space missions, such as spacecraft maintenance, space station construction, etc, and its related research has attracted many attentions by human beings. There is a fact that most of the existing space robots are designed by the rigid model in theory. For this kind system, it can perform much extensive large space operations successfully, but it encounters a bigger difficulty when it carries out kinds of fine work. Due to the structure design and manufacture, the flexibilities of carrier base and joints of space robot are inevitable. These flexibilities make the space robot to be an underactuated system and restrict its high-precision operation performance seriously. So the space robot with an flexible base and flexible joints is taken as the research object in this project, and the problems of dynamics modeling and singular perturbation hybrid control are discussed emphatically. On the dynamics analysis, with the reasonable descriptions of base and joint flexibility and dynamic constraints of the system, the dynamic model of space robot system with an flexible base and flexible joints is derived, and the system dynamic characteristics is analyzed. On the control system design, the singular perturbation method is utilized to decouple the rigid and flexible movement of the system, and then the response trajectory tracking control strategies, the base and joint flexible vibration suppression strategies are designed for space robot under the different working conditions to realize the precise and effective control.

空间机器人在航天器维护、空间站建设等空间任务中扮演着重要角色，其相关研究备受人们的关注。现有大部分空间机器人在理论上多采用刚性化模型设计，此类系统虽可胜任各种粗放式的大型空间操作，但在执行各类精细化作业时却存在较大的难度。由于结构设计、制造等原因，空间机器人的载体基座、关节不可避免存在有柔性，这些柔性将会使空间机器人成为一种欠驱动系统，并严重制约其高精度操作性能。为此，本项目以漂浮柔性基、柔性关节空间机器人作为研究对象，着重探讨其动力学建模、奇异摄动混合控制问题。在动力学分析上，基于对基座柔性、关节柔性的合理描述、系统动力学约束关系，利用拉格朗日法推导柔性基、柔性关节空间机器人的动力学模型，并分析系统的动力学特性；在控制系统设计上，利用奇异摄动法对系统刚性及柔性运动进行解耦，进而为不同工况下的空间机器人设计各种与之相匹配的轨迹跟踪控制及基座、关节柔性振动抑制策略，以实现其精确有效的控制。

空间机器人在太空中具有独特的应用优势，目前已被运用于执行航天器维护、空间站建设等在轨操作。由于结构设计等原因，空间机器人基座、关节往往存在固有的柔性，这些柔性会使空间机器人成为一种柔性多体系统，并对其整体控制性能产生影响。而漂浮柔性基、柔性关节空间机器人能否顺利执行预期的空间任务，其动力学与控制问题研究是关键，因此开展相关方面的研究工作颇具理论与现实意义。为确保柔性基、柔性关节空间机器人具有良好的操控性，本项目着重研究了此类系统的动力学建模、奇异摄动解耦、轨迹跟踪控制及柔性振动抑制等问题。在对基座、关节变形进行合理描述的基础上，利用线动量守恒关系及拉格朗日法建立了系统的动力学模型，并对其动力学特性及运动雅可比关系进行分析。采用奇异摄动法对系统的刚、柔性运动进行解耦，导出系统的惯常奇异摄动模型及基于关节柔性补偿的奇异摄动模型。以上述模型为基础，针对系统模型精确已知工况，提出了轨迹跟踪计算力矩控制及基于状态观测的振动最优控制方案、轨迹跟踪指数趋近滑模控制及振动最优控制方案；针对系统存在结构不确定性工况，提出了轨迹跟踪自适应控制、模糊鲁棒滑模控制及其相应的振动最优控制方案；针对系统存在非结构不确定性工况，设计了基于状态观测的轨迹跟踪模糊免疫混合控制及振动最优控制方案；针对系统存在结构及非结构不确定性工况，提出了轨迹跟踪自适应鲁棒抗扰控制及基于状态观测的振动最优控制方案、轨迹跟踪鲁棒自适应神经网络有限时间控制、自适应模糊控制及其相应的振动最优控制方案。仿真结果表明：上述控制方案均可较好地实现对系统期望运动轨迹的精确跟踪及柔性振动的有效抑制。除此之外，本项目还开展了一些与双臂空间机器人有关的动力学分析与控制研究工作。本项目的研究工作能够在一定程度上丰富和发展柔性空间机器人的基础理论研究，且可为未来空间机器人控制系统的设计提供必要的控制方案匹配与选择。