面向航天器在軌維修任務(wù)的機(jī)械臂及其地面實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前，航天器在軌維修任務(wù)主要依靠人類航天員完成，但是復(fù)雜的空間環(huán)境使之極其昂貴且充滿風(fēng)險(xiǎn)。面向航天器在軌維修任務(wù)的機(jī)械臂（簡稱“在軌維修臂”）的出現(xiàn)無疑是協(xié)助或代替航天員的最佳選擇，國際航天界已經(jīng)在理論研究和工程應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。然而，大多數(shù)在軌維修任務(wù)的地面驗(yàn)證或在軌實(shí)驗(yàn)只是局限于演示性的自由空間運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，而針對(duì)接觸類工程任務(wù)的精細(xì)操作實(shí)驗(yàn)尚未開展或推遲進(jìn)行。本文在總裝備部載人航天項(xiàng)目的支持下，設(shè)計(jì)了一種用于接觸類航天器在軌維修

2、任務(wù)的機(jī)械臂系統(tǒng)，并基于建立的控制策略進(jìn)行了地面實(shí)驗(yàn)研究。主要研究內(nèi)容包括：機(jī)械臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，在軌維修臂的數(shù)學(xué)建模及關(guān)節(jié)參數(shù)辨識(shí)，基于在軌維修任務(wù)的位置控制和笛卡爾阻抗控制研究，以及對(duì)于不同控制模式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。
　　本文首先針對(duì)航天器在軌維修任務(wù)和系統(tǒng)指標(biāo)要求，完成了機(jī)械臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)不同方案進(jìn)行綜合分析，確定了六自由度“肘部非偏置+球形腕”的本體構(gòu)型；采用局部模塊化思想，設(shè)計(jì)了小轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)配合大傳動(dòng)比諧波減速器的

3、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；鑒于系統(tǒng)操作的柔順性要求，設(shè)計(jì)了一種基于電阻應(yīng)變?cè)淼年P(guān)節(jié)力矩傳感器，并通過有限元分析和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)對(duì)其設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證；為了獲得精確的關(guān)節(jié)位置信息，對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器的信息融合算法進(jìn)行了研究與應(yīng)用；設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)的承載零部件和仿人型臂桿，并通過靜力學(xué)分析對(duì)其強(qiáng)度、剛度等指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證；為了達(dá)到關(guān)節(jié)的裝配要求，安排了關(guān)節(jié)阻力矩測(cè)試實(shí)驗(yàn)。其次，建立了在軌維修臂系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。針對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃中的

4、雅克比奇異問題，進(jìn)行奇異分析并制定了避奇異策略；對(duì)Paul四次多項(xiàng)式規(guī)劃算法進(jìn)行了改進(jìn)，解決了規(guī)劃軌跡不經(jīng)過期望路徑點(diǎn)的問題；考慮到關(guān)節(jié)中存在柔性，利用機(jī)械沖擊法進(jìn)行了剛度辨識(shí)；對(duì)LuGre摩擦模型進(jìn)行了研究，并通過一種簡化的線性模型得到了與之近似的摩擦辨識(shí)結(jié)果；基于關(guān)節(jié)速度與控制輸入量的關(guān)系，進(jìn)行了一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析；利用上述辨識(shí)結(jié)果直接完成了電機(jī)力矩系數(shù)的辨識(shí)，避免了復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程。然后，研究了適用于在軌維修任務(wù)的位置控制算法，

5、并對(duì)其進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。針對(duì)連續(xù)時(shí)變軌跡的跟蹤要求，建立了計(jì)算力矩控制策略，并通過Simulink對(duì)該算法進(jìn)行了仿真；為了驗(yàn)證位置控制下的軌跡跟蹤效果，進(jìn)行了正弦軌跡的跟蹤實(shí)驗(yàn)；采用API激光跟蹤儀測(cè)試了系統(tǒng)的重復(fù)定位精度，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。最后，研究了滿足柔順性操作要求的笛卡爾阻抗控制算法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性和在軌維修任務(wù)的可行性。建立了基于關(guān)節(jié)力矩傳感器的笛卡爾阻抗控制策略，基于電機(jī)端的位置實(shí)現(xiàn)了在線重力補(bǔ)償，并給出