限制性漂浮基座上多连杆臂的接触动力学建模与鲁棒控制方法研究

Spacerobot is a significant way for On-Orbit Servicing. Previous researches focused on the dynamics and control for free-motion or topology-changed spacerobot, rarely the situation for the continuous interaction with object spacecraft. The dynamics model, control and experimental validation for the interaction between the spacerobot and the objective are present research highlights. In this application, we plan to deal with problems related to the dynamics and robust control for interaction of multi-link on restricted-floating base. Achievements of the application are expected to be applied in interactive tasks such as soldering, surface painting and etc. between inertia stable spacerobot and objectives. First, based on complementary problem, we will develop the general dynamics equation for multi-rigid-body system with unilateral interaction and probable self-lock friction. Second, we will design robust controllers based on both error feedback theory and signal compensation method for hybrid force/position control of the spacerobot. Finally, to validate the developed dynamics model and controller, we will establish hardware-in-loop simulation system for ground validation and conduct experimental research.

空间机器人操作是在轨维护任务的重要手段。目前，有关空间机器人操作的研究和工程实践主要集中在机械臂末端自由和开环转闭链两类状态，但尚未有空间机器人末端对目标飞行器连续接触作业的系统研究。空间机械臂接触的动力学建模、接触力控制和实验验证方法是当前理论研究的热点问题。本课题以惯性稳定空间机器人对惯性目标卫星实施的焊接、涂覆等连续接触作业为背景，研究限制性漂浮基座上多连杆机械臂对限制性漂浮目标表面持续接触的动力学建模和鲁棒控制方法，具体包括：基于互补方法建立描述摩擦自锁现象的一般动力学方法，以及带单边接触的多刚体系统的一般动力学方程；基于误差反馈式和信号补偿式鲁棒控制方法，设计空间机械臂末端接触力/位置混合鲁棒控制器；构建地面验证实验系统，基于混合试验方法对空间机器人接触动力学模型和鲁棒控制器进行地面验证实验。

本项目是从实际的空间机器人研制与应用中抽象出的一个科学问题：空间机械臂与目标表面发生持续接触，飞行器平台受到主动力控制，机械臂末端同时受到轨迹和接触力的双重约束，整个空间机器人系统呈现出非光滑的动力学特性。.本项目围绕这一科学问题，建立了空间机器人动力学模型，提出了多约束条件下的运动学规划和避障算法，提出了最小反作用控制方法，开展了运动学与接触动力学的地面验证试验，并进一步研究了与在轨试验密切相关的遥操作控制和视觉测量方法。本项目取得了如下创新性研究成果：.1. 针对具有非光滑特性的空间机器人接触动力学，建立了统一、紧凑的线性互补数学模型，给出并证明了该模型的可解性定理；.2. 针对受控漂浮平台冗余空间机器人运动学规划问题，提出了加权雅可比矩阵梯度投影算法，以及用于避障的后向二次搜索算法；.3. 针对空间机器人最小反作用问题，提出了互补二次规划方法，证明了互补二次规划和线性互补问题的全局等价性；.4. 设计了空间机器人接触动力学建模与规划的一种混合式验证试验方案，并构建了试验系统，验证了理论的正确性和方法的有效性。.项目组发表论文共计16篇，其中，SCI检索的期刊论文6篇，培养博士生1名、硕士生2名；支持项目负责人撰写学术专著1部，获得军队科技进步一等奖2项；项目成果支持依托单位作为第一完成单位，获得国家科技进步特等奖，项目组成员中共有3人获此殊荣。