机器人宇航员多模态运动与转换方法研究

It’s an important national development direction for Europe, America and Russia to implement the robots to assist or replace astronauts in space exploration and exploit, and this is an important strategy for the development of china. However, environment and locomotion modes of robots in space are different from those on ground, meanwhile robot motion state in microgravity is sensitive to external disturbance, which leads to a new challenge of stable control.. To solve this problem, by referring to the motion principle of astronauts, and by finding how weightlessness train effects astronauts’ nervous control system, corresponding the model of finite state machines(FSM) will be established according to multiple motion modes required in space station, such as crawl, slide and break. FSM choosing and interconversion decision-making mechanism will be studied to realize robot multimode motion and conversion. Program proposes a compliant control method with dual-arm coordination to study the optimization of parameters and coordination mechanism, and this will solve the problem of disturbing the stability of robot motion when crawl and break, which is caused by the contacted force and disputed force generated by closed-chain movement. The program will combine bionics and robotics to break through the robot astronaut flexible locomotion theory and method, and provides the basis of robots to assist and replace astronauts to be on duty in space widely. It is has the great economic value and social value to promote robot astronaut to be applied in space station and moon exploring, and it can promote our nation’s space strategic position further.

机器人辅助或代替航天员进行空间利用和探测是欧美俄等航天大国重点发展方向，也是我国发展的重要战略。由于机器人宇航员空间环境、运动模式与地面不同，且微/弱重力下运动状态对外界扰动异常敏感，给其运动控制提出新的挑战。.本项目借鉴航天员空间站运动机制，探索失重训练对航天员神经控制影响机理基础上，针对空间站作业必需的爬行、滑行及骤停等运动模态，构建相应的状态机模型，研究模态选择与转换决策机制，实现机器人多模态运动规划；提出一种双臂闭链运动的协调柔顺控制方法，重点研究阻抗参数优化和双臂协调机理，解决机器人爬行、骤停时闭链式运动产生的纷争力和接触力对运动稳定性的扰动问题，实现机器人宇航员稳定运动控制。项目结合仿生学与机器人学，突破机器人空间复杂环境运动理论和方法，为其空间大范围运动作业提供基础，促进机器人技术在空间站、月球探测中的发展与应用，有重大经济和社会价值，对进一步提升我国空间战略地位有重要意义。

人类航天员空间站作业存在极大的安全风险，每次出舱作业都是以健康和生命安全为代价，用机器人宇航员辅助或代替人类航天员是欧美俄等航天大国重点发展方向，更是我国未来空间站发展重要战略。由于微重力下机器人运动状态对惯性力和接触力异常敏感，导致机器人宇航员空间动力学特性非常复杂，如何在空间站特殊环境下，使机器人宇航员具有与人类航天员相似的运动性能，对现有机器人理论和方法提出了巨大挑战。鉴于此，本项目瞄准空间智能机器人在空间站重大工程应用，聚焦机器人宇航员辅助或代替航天员的核心科学问题，针对机器人宇航员空间站大范围运动作业模态多且动力学特性复杂导致的巨大挑战，提出并创建了一种人体粘弹性复杂耦合动力学模型，为研究机器人宇航员空间站复杂环境高运动适应性奠定了理论基础。依据提出的人体粘弹性动力学模型理论，在项目研究中准确地描述人体与环境接触的动态过程和运动机理，即实现人在空间站环境下运动的动力学特性量化数据表达，并以此作为机器人宇航员的期望控制模型，提出采用力匹配与速度补偿的机器人宇航员与航天员动力学映射方法，国际上首次实现了机器人宇航员与人类航天员高相似空间站稳定驻停运动与评价，解决了机器人宇航员空间站大范围运动产生的接触力对系统运动稳定性和安全性的复杂扰动问题，动力学仿真表明了该方法在仿人稳定控制上的有效性，仿真同时表明该理论方法具有良好的鲁棒性，在未来的空间机器人宇航员应用和机器人的仿人控制领域具有广泛应用前景和重大意义。