面向紧耦合协调的多臂空间机器人遥操作控制方法研究

Close-coupling coordinated operation of multi-manipulators will be a general task pattern in the future on-orbit service mission, so the research of the corresponding teleoperation method is of great significance. In traditional teleoperations, the stabilities of the delay multilateral network cannot be guaranteed, and the tracking speed is limited by stability condition. Also, the constraint in the task space are always not considered in the coordinated operation. Furthermore, the coordination and mutual transparency among multi-operators are rarely discussed in existing researches. The above defects seriously restrict the practicability of multi-manipulator teleoperation. Studies are performed according to three problems in this projection, which are stability analyzing and control of delay multilateral network, consensus teleoperating control of coordinated multi-manipulators under Cartesian constraints, and decision fusion and mutual transparency among multi-operators. The research contents are as follows: 1) Analyzing the stability of the delay multi-port network, proposing passivity criterion and absolute stability criterion, and designing the delay network controller; 2) Revealing the mechanism of the effect between the key parameters and the spatial constraints, proposing the infinite consensus control based on improved terminal sliding mode, achieving the coordinated teleoparation under Cartesian constraints; 3) Establishing the input-output model of multi-operators, proposing multi-operator division coordination and intelligent fusion method; 4) Proposing the transparency index for mutual operators, and designing the mutual force reflecting controller based on the multichannel small gain theory. This project aims at proposing a series of innovative results of practical application value in aerospace engineering.

紧耦合多臂协调作业是未来在轨服务中普遍存在的任务模式，针对其进行遥操作控制方法研究具有重大意义。现有的遥操作方法无法保证多边时延网络的稳定性，跟踪速度受时延稳定条件制约，未考虑执行任务时实际的末端约束，缺乏多用户协调及交互临场感研究，成为制约多臂遥操作走向实用的主要瓶颈。本项目围绕多端口时延遥操作网络稳定机理分析与控制、笛卡尔空间约束下的多臂协调一致性遥操作控制、多用户决策融合及交联临场感等前沿问题展开研究。具体包括：分析多端口耦合时延网络的稳定特性，提出无源性与绝对稳定判据，设计网络稳定控制器；揭示关键参数对空间约束的作用机理，提出改进终端滑模的有限时间一致性控制方法，实现多臂在任务空间约束下的协调遥操作；建立多操作者输入输出模型，提出多用户决策协调与智能融合方法；提出多用户交联透明性指标，并设计基于多通道小增益理论的交联力反馈控制方法；最终形成具有航天工程实际应用价值的创新性研究成果。

灵活性更强，自由度更多的双臂或多臂空间机器人将是未来执行空间在轨服务任务的主体，而紧耦合多臂协调作业将是主要作业模式。由于当前机器人自主性不足，遥操作将仍然是多臂紧耦合协调作业中一种不可或缺的控制方式。本课题对面向紧耦合协调的多臂空间机器人遥操作控制方法进行了研究，所取得的主要研究成果如下：.一、开展了空间机器人遥操作系统方案论证，根据作业流程对多臂操作的任务特点进行了梳理，设计了多种工作模式，并结合不同的交互模式进行了人机交互系统的顶层方案设计；.二、对遥操作模式下多机械臂协同一致性控制进行研究，针对传统遥操作控制方法对系统暂态性能、实时响应性能考虑不足的问题，通过结合快速终端滑模的技术，设计了一种自适应有限时间遥操作控制方法，保证了系统的鲁棒性和滑模面的非奇异性。.三、对多操作员的信息交互、指令分解及临场感信息共享机制进行研究，针对异构机器人间进行遥操作时的运动映射与相似性难以度量的难题，首次提出了虚拟关节的概念，设计了一种适用于遥操作的异构机器人运动映射方法，完成了面向多操作员的分布式虚拟预测仿真系统，完成了指令分解、自由度分配及力觉共享技术。.四、对多自由度多边遥操作系统绝对稳定性进行研究，针对天地回路中广泛存在抖动时延问题，提出了抗抖动时延的遥操作控制方法，有效补偿了抖动时延对于遥操作控制系统稳定性的不良扰动影响，与传统遥操作控制方法相比，放宽了对时延特性的理想化限制；同时结合切比雪夫神经网络，设计了抖动时延条件下的固定时间遥操作控制方法，提高了控制的同步和状态响应速度。.课题的研究顺应了我国空间科学发展的大方向，研究成果对于未来实际在轨服务，尤其是在轨遥操作装配、维修、加注等典型任务，具有重要的理论价值和实际意义。