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文 | 南柯归洵

编辑 | 南柯归洵

【前言】

带有机器人操作器的在轨太空机器人在太空组装、维修、补给燃料和运输操作中发挥着关键作用。

用于在轨服务操作的空间机器人系统由三个主要部分组成：基座、一个或多个空间机械手和被服务对象。

空间机器人捕获空间物体的典型过程包括四个阶段：观察、接近、捕获和捕获后。由于空间微重力环境，自由浮动基座和机械臂之间存在耦合动力学。

换句话说，当其附属的空间机械手移动以执行在轨服务任务时，基座将同时移动。因此，研究人员研究了同时控制基座和机械手执行复杂空间任务的策略。

由于复杂的在轨任务需要精确执行，因此需要为双臂空间机器人开发鲁棒性好、精度高的控制器贾和米苏拉提出了一种鲁棒自适应滑模控制器，使双臂空间机器人跟踪期望轨迹。

针对复杂空间环境下双臂空间机器人惯性参数的模型不确定性，提出了一种基于动力学的自适应控制方。

此外，为双臂空间机器人开发了最佳控制，以减少在轨飞行任务的能耗.因此，对于双臂空间机器人执行的复杂空间操作，应比较和谨慎选择控制方法。

2.模型描述

切线释放操作由以下三个阶段组成，特别是，颜色随着任务的进展越来越黑。

提出的切线投放策略包括三个阶段:接近阶段、拾取阶段和投放后阶段。在接近阶段，双臂空间机器人首先接近初始静止空间物体。

然后，末端执行器(EEs)抓住空间物体的手柄，使空间机器人和空间物体在拾取阶段刚性连接成一个组合系统。

图一。切线释放操作的草图。

空间物体可被视为由货舱中的两个机械手拾取的货物，在拾取阶段，组合系统相对于惯性框架逐渐绕其质心(CM)旋转。

当组合系统获得所需的角速度时，空间机器人将释放空间物体，并在释放后阶段平稳地移动到待机状态。

切线释放策略的优点是，当末端执行器释放物体时，空间物体可以获得与空间机器人最终连杆相切的期望速度。

通常，空间机器人在径向方向上释放一个空间物体，以推开该空间物体。为了拓展空间机器人的释放方向，研究了切线释放策略。

此外，释放战略可以在任意安全的方向释放空间物体，这对于执行未来的空间任务可能是有用的，例如在航天器之间运输货物和重新装载航天器的模块以进行组装和维护。

2.1.假设

每个机械手都有n与的链接n自由度，切线释放操作期间忽略轨道力学，初始配置被设置为在切线释放操纵期间保持操纵器的奇异配置。

假设空间物体是一个刚性长方体，具有初始静止状态。双臂空间机器人可以抓取两个对称的抓取点(A和B)并随后以期望的速度释放空间物体。

由于点火产生的冲力，推进器在运行过程中不会被点燃。反作用轮通过与基座交换角动量来调节空间机器人的基座姿态。

在操作过程中，施加到结合了空间机器人和空间物体的组合系统上的外力或扭矩可以忽略不计，空间物体的几何参数和运动可以在操作之前由空间机器人的传感器观察和精确估计。

对假设2的解释:切线释放操作在比空间机器人的轨道周期，短得多的时间(模拟中约80秒)内进行。因此，我们假设在切线操作中可以忽略轨道力学。

图二。用于切线释放操作的双臂空间机器人的动力学模型。

切线释放策略

态度和动作，速度，和加速度，需要一起计划以协调控制基座和机械手。

这m-th(m是正整数)阶贝塞尔曲线[33]广泛用于规划平滑路径。根据贝塞尔曲线[33]，当贝塞尔曲线的阶数不小于5时，我们可以独立设计姿态和运动，速度，和加速度。

最后，双臂空间机器人平稳地返回到待机状态。在由空间机器人释放之后，空间物体的CM将以最终线速度(=)，它可以是末端执行器在时刻的切向速度。

在发布后阶段(∈(,])，末端操纵装置的轨迹需要仔细设计，以避免与空间物体碰撞。类似地，在(9)可以被开发来规划空间机器人的期望轨迹。

空间机器人和空间物体可能存在模型不确定性。因此，我们假设质量和惯性中存在模型不确定性。选择并开发了一种滑模控制器作为对模型不确定性的鲁棒控制器来执行释放操作。

模拟结果

对于空间机器人协调基座和运动控制的SMC，数值仿真结果如下图所示。详细地说，SMC的控制增益被调整为=24,(=1,2,…,9),=0.01,=1纳米，和=40。

为了进行比较，我们选择了一种广泛使用的计算转矩控制(CTC)方法。

在哪里=1和=2具有相同初始条件的PD控制器的控制增益。此外，我们考虑跟踪精度、控制力矩的大小和跟踪误差的平滑性的平衡性能来调整控制增益。

a、b分别表示由SMC和PD控制器产生的基准姿态到期望姿态的误差。c、d分别表示由SMC和PD控制器控制的空间机器人的实际基本姿态。

根据a，b，SMC对基座姿态的跟踪误差的精度(10−5度)高于PD控制器(10−4度)。因此，实际基地的态度在b、c在切线释放操作期间可以被控制稳定在零或接近零。

基地姿态表现: (a)通过SMC跟踪误差；（b)通过PD跟踪误差；（cSMC的实际轨迹；（d)PD的实际轨迹。

a、b表明EE 1位置的跟踪精度约为10−6SMC的m和10−5m分别由PD控制器控制。因此，SMC对EE1位置的跟踪精度高于PD控制器。

c、d表示两个控制器对EE 1的实际轨迹，描述了EE 1接近、拾取、释放空间物体，最后返回稳定状态的平滑运动。

EE 1的位置: (a)通过SMC跟踪误差；B)通过PD跟踪误差；（cSMC的实际轨迹；（d)PD的实际轨迹。

同样的，a、b表示EE 2位置的跟踪精度大约为10−6SMC的m和10−5m分别由PD控制器控制。

c，d显示了EE 2的实际轨迹，表明了两个控制器对两个末端执行器的良好配合。此外，SMC的性能优于PD控制器。

EE 2的位置: (a)通过SMC跟踪误差；（b)通过PD跟踪误差；（cSMC的实际轨迹；（d)PD的实际轨迹。

演示了分别由SMC和PD控制器产生的基本姿态、臂1和臂2的控制输入力矩。根据对于切线释放操作，SMC和PD控制器可以平滑且可行地传递相似的控制输入扭矩。

控制输入扭矩: (a)通过SMC控制转矩；（b)通过PD控制扭矩。

显示了两个控制器在切线释放操作期间空间物体CM的位置矢量和速度矢量，结果相似。

空间物体的厘米在接近阶段是静止的(∈[0,10]s)，在拾取阶段被捕获和加速(∈(10,15]s)，并在此刻发布(=15s)。然后，空间物体继续以期望的释放速度移动，空间机器人在释放后阶段移回到安全的待命状态(∈(15,30]s)。

空间物体的位置和速度的厘米: (a)由SMC（b)被PD。

演示了包括空间机器人和物体在内的组合系统在两个控制器拾取阶段的角速度，结果相似。根据组合系统的角速度平稳地加速到期望值=[0,0,2]释放瞬间的度/秒=15南

组合系统的角速度: (a)由SMC（b)被PD。

5.3.对模型不确定性的鲁棒性

为了比较控制器对模型不确定性的鲁棒性，将一组不确定参数应用于空间机器人系统。

不同值代表模型不确定性的不同大小，此外，=1意味着没有模型不确定性应用于空间机器人和空间物体。

a、b分别绘制了滑模控制器和PD控制器对基座姿态跟踪误差的箱线图，c、d分别示出了SMC和PD控制器对末端执行器位置的跟踪误差的箱线图，箱线图可以显示跟踪误差的范围和分布。

根据，当不确定性的幅度(±10%,±20%)更广泛。此外，SMC比PD控制器对模型不确定性具有更好的鲁棒性，因为在应用模型不确定性时可以发现更多的微小跟踪误差。

针对模型不确定性的稳健性能: (a)由SMC确定的基准姿态误差范围；（b)PD的基准姿态误差范围；（c)SMC的EEs位置的误差范围；（d)PD的EEs位置误差范围。

结论

本文提出了一种利用双臂空间机器人切向释放空间物体的新方案。这种切线释放策略可以使自由漂浮的空间机器人以所需的切线速度在太空中运输货物等空间物体，而不需要推进器和相关的燃料消耗。

与推开空间物体不同，释放方向可以变化，以满足复杂的在轨空间任务的要求。

为了解释该策略，两个末端执行器可以接近并从货舱中拾取有效载荷以进行部署，然后沿切线方向将该物体释放到期望的目的地。

然后，机器人和物体被刚性地连接成一个组合系统。当组合系统达到期望的速度时，空间机器人将沿其切线方向释放空间物体。

在释放操作之后，空间机器人将沿着计划好的安全平滑的轨迹到达静止状态。同时，空间物体在释放时刻将保持切向速度，可用于附近的货物运输。

当空间机器人存在耦合动力学时，基座姿态可以控制在零或接近零。考虑到应用于空间机器人和物体的不确定惯性参数，鲁棒控制器有助于控制空间机器人。

设计了一种鲁棒滑模控制器，对空间机器人进行鲁棒性好、跟踪精度高的控制。此外，选择传统的PD型计算转矩控制器(CTC)进行比较。

仿真结果表明，滑模控制器比PD控制器具有更小的跟踪误差和更好的抗模型不确定性的鲁棒性。

虽然我们利用边界层方法来减少由滑模控制引起的波动，但是在空间机器人的期望轨迹的跟踪误差中存在振动。

今后，我们将开发先进的控制方法来提高跟踪误差的平稳性。此外，我们提出的切线策略的局限性与外部干扰有关，如与空间物体物理接触引起的机械振动，这将在我们未来的工作中进一步研究。

参考

1. Moosavian公司；太空中的自由飞行机器人:动力学建模、规划和控制概述。机器人 2007,25, 537–547.
2. 弗洛雷斯-阿巴德，美国；马，o；法姆，k；用于在轨服务的空间机器人技术评论。Prog。Aerosp。Sci。 2014,68, 1–26.