空间站用大型末端执行器系统优化与柔性抓捕控制研究

The project makes studies on grapple performance optimization, disturbance rejection during pre-grapple phase and grapple control strategy during grapple phase for large-scale end-effector. These problems are critical for end-effector grappling free-flying payload in space. To get the optimum grapple perfomance, multiple objective grapple tolerance optimization is done based on improved particle swarm method. No-contact disturb depression method is proposed based on flexible loop to suppres payload disturb during pre-grapple phase. Feel-judge-decision control strategy is adopted to decrease grapple impact and stabilize grapple procedure. The project will acquire the relationship between grapple tolerance and physical dimensions of the end-effector to get the optimum grapple performance. And the project will also realize flexible grapple in sapce via disturb rejection during pre-grapple phase and grapple control strategy during grapple phase. The project's research results have theoretical values in mechanism optimization and space robots manipulation, and also have practical merits in improving space robots grappling and fine operating perfromance.

本申请以工作于空间微重力环境下的末端执行器系统为研究对象，应用机构学、优化学、系统动力学等多学科理论与方法，综合考虑末端执行器多实体尺寸参数之间的耦合关系，建立末端执行器抓捕容差模型，揭示末端执行器关键参数的设计准则。依据末端执行器创新性抓捕机构原理，揭示末端执行器预抓捕阶段扰动抑制规律及机理，提出复杂空间环境下扰动抑制的新方法，突破末端执行器扰动抑制的关键技术难题。研究末端执行器抓捕冲击产生机理，揭示抓捕冲击抑制的控制原理，提出末端执行器柔性抓捕控制策略。这些问题的解决将会促进我国空间站用大型末端执行器的发展，提高产品设计的空间应用水平，为我国未来空间站事业的发展提供可靠的理论基础和技术支撑。

针对空间大型末端执行器在本体体积固定情况下抓捕能力受限的问题，提出了拖动机构周置的设计方法，解析了抓捕容差与多实体参数之间的耦合关系，提出了空间大型末端执行器抓捕系统构型设计方法；研发了空间失效卫星地面微重力模拟实验平台一套，搭建起了失效卫星的地面模拟环境，为处于翻滚状态下的空间失效卫星的地面研究提供了全物理仿真平台，在地面环境下完成了末端执行器对空间失效卫星的有效抓捕；提出了基于机构-冲击-阻尼模型的空间大型末端执行器柔性抓捕技术，首次直接从抓捕机构设计层面解决了空间失效卫星由于翻滚运动引起的冲击载荷；提出了仿蚂蚁觅食机制的末端执行器仿生抓捕技术，实现了末端执行器低成本、高可靠性抓取，同时解决了末端执行器在抓捕过程中的视场遮挡、光照不理想等一系列问题；研发了一种基于磁致伸缩效应的无线无源力传感器，开发了多维传感器综合性能测试平台，在此平台上进行了末端执行器抓捕力传感器的研制和测试；研制了具有大容差柔性捕获能力的新型空间大型末端执行器原理样机一套，在自身质量下降15%的情况下抓捕能力上升10%，在空间失效卫星地面微重力模拟实验平台上验证了原理样机的有效性、所提出方法的正确性，所得到的结论可用于指导设计空间大型末端执行器的抓捕机构和提升末端执行器的柔性抓捕能力。