面向太空望远镜在轨组装的空间机器人系统关键技术研究

For addressing the need of space robotic systems fulfilling on-orbit assembly tasks for the space telescope, this program attempts to solve three basic scientific problems as: 1) the excitation and evolution mechanism of the flexible behavior of space robots under hybrid conditions; 2) the control and the synergic optimization of compliance behavior during multi-robot cooperation; and 3) the space robot autonomous operation in complex and unstructured environment. Original research will be conducted on 1) the on-orbit reconfigurable robot design with multiple degrees of freedom (DOF) rigid-flexible coupling (RFC) joints, 2) the precise motion control of the redundant RFC manipulator under a flexible base, 3) the control of flexible behavior and multi-robot cooperation in assembly, 4) the perception of complex environment and autonomous robot operation in on-orbit assembly, 5) interaction dynamics and compliance control of the space robot accomplishing on-orbit assembly for telescope modules, and 6) the integration and verification of the overall multi-robot assembly system. The ground simulation and experimental platform would be set up for functional demonstration and technology validation in the specific scenario of space telescope assembly. The program will provide key theoretical, as well as technical support promoting the next generation of space robot systems that can merge with the complex environment.

本项目针对空间望远镜在轨组装任务对空间机器人的需求，围绕“关联耦合下空间机器人柔性行为的激发与演化机理”、“多机器人操作下柔性行为控制的方法与协同优化”、“复杂非结构环境下空间机器人自主操作”等3方面的科学问题，开展原创性的多自由度刚柔耦合可在轨重构机器人设计、柔性基座下刚柔耦合冗余自由度机械臂的运动控制、多机器人装配操作模式下柔性行为控制方法与协同操作、空间机器人在轨装配复杂环境感知与自主作业、基于空间机器人的在轨望远镜模块组装交互动力学和顺应性控制、多机器人组装系统集成与试验验证等理论方法与技术研究。建立地面仿真和实验平台，面向空间望远镜在轨装配典型应用开展功能演示与技术验证，为推动新一代与复杂环境共融的空间机器人发展提供必要的基础理论与关键技术支撑。

本项目开展了变操作空间刚柔耦合模块化可重构机械臂研制，通过模块化关节及控制系统设计、具有被动伸缩主动锁紧功能的可伸缩臂杆设计和可变刚度柔性基座设计，满足了望远镜模块在轨装配技术地面验证需求；提出了基于改进双向逼近法的空间机器人基座姿态扰动控制算法，实现了基座非完整约束条件下，空间机械臂扰动最优条件下的构型变换，避免了空间机器人点到点运动的动力学耦合问题；提出了基于动作序列的视觉伺服基座扰动优化方法，同时结合提出的粗-精视觉伺服规划方法，解决了空间机器人接近望远镜模块过程的平稳规划问题；提出了基于三维根轨迹的双臂闭链抓捕策略，解决了多参数耦合作用下系统稳定参数选取问题，结合多目标控制方法，减少了空间机器人与目标物体之间接触碰撞力引起的柔性基座姿态扰动，奠定了望远镜模块的准确可靠捕获的基础；提出了基于浸入与不变原理的自适应连杆动力学参数辨识方法，设计了基于随机噪声的Kalman观测器，解决了欠传感信息下高阶运动状态反馈的问题，同时，结合提出的基于鲁棒自适应的冗余机械臂多优先级控制器，针对复杂环境中望远镜模块装配未知扰动，提高了阻抗控制器的力反馈精度和抗扰动能力；提出了子镜模块化安装策略，减少了机械臂装配与构型变换次数，提高了空间机器人的在轨工作效率。基于上述研究成果搭建了一套多自由度演示样机，并完成了望远镜模块装配地面验证试验。本项目的研究成果突破了面向模块化大口径望远镜在轨装配的智能机器人系统及理论问题，对我国实现超大口径空间望远镜的在轨装配具有重大意义。.项目执行期间，共发表论文24篇，其中期刊论文16篇；申请中国发明专利35项，其中获授权专利25项；团队骨干成员史士财研究员入选国家高层次人才计划，蒋再男教授获得国防拔尖人才荣誉称号。