面向非合作目标捕获的连续型多臂空间机器人“结构-感知-控制”一体化研究

This research focuses on the on-orbit capture technologies of non-cooperative targets. A new capturing system based on the continuum multi-arm space robot is proposed. The characteristics of this system are “mechanics-electronics” separated, “structure-sensing” integrated, and “flexibility- tolerance” fused. Based on this system, the following studies on modeling, sensing and control are made. Firstly, the multi-coupling dynamic model of the continuum multi-arm space robot system is established. The coupling laws of the robot system are revealed, and the coupling level is described and evaluated. Secondly, a force sensing method with multi-arm cooperation is proposed based on the “structure-sensing” characteristic of continuum robots. The disturbing forces, contacting forces and operating forces during the capturing process can be sensed. Thirdly, a control method considering the “shape-force” fusion and the multi-arm cooperation is proposed, aiming to control the capturing shapes (including the shapes of all arms) and the capturing forces (including forces and moments) simultaneously. Then the “structure-sensing-control” fusing law of such continuum multi-arm systems is revealed. Fourthly, ground experiments are made to validate the proposed models and methods, and to evaluate the capacities of the continuum multi-arm space robot during the capture of non-cooperative targets..The proposed new capturing system is an important supplement to the existed capturing methods. Results of this research would be useful for many space-robot-based missions, such as the on-orbit maintenance, the space debris removal, the space countermeasure, and so on.

本课题针对非合作目标在轨捕获问题，设计“机-电”分离、“结构-感知”一体、“大柔性-大容差”融合的连续型多臂空间机器人捕获系统，深入开展建模、感知与控制方法研究，包括：①建立连续型多臂空间机器人系统的多重耦合动力学模型，揭示系统的多层次耦合关系，并对耦合程度进行表征与评价；②提出一种基于连续型机器人“结构-感知”一体特征的多臂协同力感知方法，准确感知非合作目标捕获过程中的扰动力、接触力及操作力；③提出一种“形状-力”相融合的多臂协调控制方法，同时控制捕获臂形(含各机械臂整体形状)及捕获力(含力和力矩)，并揭示此类连续型多臂系统“结构-感知-控制”的融合规律；④开展地面实验研究，验证上述模型与方法，并评估连续型多臂空间机器人对非合作目标的捕获能力。.课题设计的新型捕获系统，是对现有捕获手段的重要补充，相关成果为将来使用空间机器人执行在轨维修、垃圾清理、空间攻防等任务，提供了一定的基础。

本项目面向我国当前及未来在空间在轨服务领域，特别是非合作目标在轨捕获方面的重大需求，以连续型多臂空间机器人为研究对象，深入开展了相关的机器人动力学建模、无末端传感器的力感知方法及多臂协同的控制方法研究，取得了如下研究成果：建立了连续型机器人系统的动力学模型，揭示了系统的耦合规律；基于连续型机器人“结构-感知”一体的特征，建立了力感知模型，实现了捕获过程中的外力感知；提出了一种“形状-力”相融合的多臂协同控制方法，实现了机械臂臂型与操作力的同步控制；研制了多款原理样机，开展了相关的实验验证。. 相关成果以项目负责人为第一及/或通讯作者，发表了学术论文14篇，其中SCI期刊论文10篇（包括机器人领域著名期刊IEEE Trans. Robot.论文1篇），EI会议论文4篇（包括机器人领域著名国际会议ICRA论文1篇）。同时，相关成果以项目负责人为第一发明人，申请了国家发明专利15项、实用新型专利1项、PCT国际专利4项，上述专利获得国家发明专利授权5项、实用新型专利授权1项。依托本项目，培养了硕士研究生9名、博士研究生3名、博士后1名。项目的相关成果，用于深圳某公司机器人研制，突破了高速正解、高精度自标定、智能控制等技术难题，成功实现了机器人的高速、高精度运行。同时，依托本项目授权的国家发明专利以专利许可的方式，授权东莞某通讯技术公司开发绳驱机器人测试装备，该装备具有工作空间大、负载能力强、成本低的优势，为降低通讯行业测试成本、提高测试效率做出了重要贡献。. 本项目提出的绳驱连续型机器人系统在“在轨服务”领域有重要应用前景，连续型机器人具备智能、灵活、可靠的空间多任务作业能力，能对航天器开展维修、维护、装配、升级等操作。