面向航天器在軌維修任務(wù)的機械臂及其地面實驗研究.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，但是復雜的空間環(huán)境使之極其昂貴且充滿風險。面向航天器在軌維修任務(wù)的機械臂（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。然而，大多數(shù)在軌維修任務(wù)的地面驗證或在軌實驗只是局限于演示性的自由空間運動項目，而針對接觸類工程任務(wù)的精細操作實驗尚未開展或推遲進行。本文在總裝備部載人航天項目的支持下，設(shè)計了一種用于接觸類航天器在軌維修

2、任務(wù)的機械臂系統(tǒng)，并基于建立的控制策略進行了地面實驗研究。主要研究內(nèi)容包括：機械臂系統(tǒng)的設(shè)計與分析，在軌維修臂的數(shù)學建模及關(guān)節(jié)參數(shù)辨識，基于在軌維修任務(wù)的位置控制和笛卡爾阻抗控制研究，以及對于不同控制模式的實驗驗證等。
　　本文首先針對航天器在軌維修任務(wù)和系統(tǒng)指標要求，完成了機械臂系統(tǒng)的設(shè)計。對不同方案進行綜合分析，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)計了小轉(zhuǎn)矩永磁同步電機配合大傳動比諧波減速器的

3、驅(qū)動傳動系統(tǒng)；鑒于系統(tǒng)操作的柔順性要求，設(shè)計了一種基于電阻應(yīng)變原理的關(guān)節(jié)力矩傳感器，并通過有限元分析和標定實驗對其設(shè)計指標進行了驗證；為了獲得精確的關(guān)節(jié)位置信息，對旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器的信息融合算法進行了研究與應(yīng)用；設(shè)計了關(guān)節(jié)的承載零部件和仿人型臂桿，并通過靜力學分析對其強度、剛度等指標進行了驗證；為了達到關(guān)節(jié)的裝配要求，安排了關(guān)節(jié)阻力矩測試實驗。其次，建立了在軌維修臂系統(tǒng)的數(shù)學模型，并對關(guān)鍵動力學參數(shù)進行了辨識。針對逆運動學規(guī)劃中的

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

5、并對其進行了仿真和實驗的驗證。針對連續(xù)時變軌跡的跟蹤要求，建立了計算力矩控制策略，并通過Simulink對該算法進行了仿真；為了驗證位置控制下的軌跡跟蹤效果，進行了正弦軌跡的跟蹤實驗；采用API激光跟蹤儀測試了系統(tǒng)的重復定位精度，結(jié)果滿足設(shè)計指標。最后，研究了滿足柔順性操作要求的笛卡爾阻抗控制算法，并通過實驗驗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，基于電機端的位置實現(xiàn)了在線重力補償，并給出