大型柔性结构在轨装配的多臂空间机器人协调控制研究

In response to the important needs of our country on orbit construction and maintenance of space station and future large spacecraft systems, we propose this project application. Aiming at the coordinated control problems of multi-arm space robot assembling large flexible space structure, the following topics are researched: (1)Establish the rigid-flexible coupling dynamic model corresponding to variable configuration during flexible multi-arm space robot manipulating large flexible payload, and analyze the coupling properties of rigid motion, flexible vibration between the space manipulator, payload and its base; (2)Propose a singularity-free path planning and control method of multi-arm space robot to stabilize the base during the coordinated manipulating of large payload; (3) Establish the contact-impact dynamic model between the end-effector and the payload during large payload exchanging, and present a path planning and control approach to minimize the impact effect using the coordinated motion of dual-arm space robot; (4)Propose a trajectory planning and vibration suppression method when the two arms manipulate the payload coordinately after the closed-chain is formed.. The research of the project conforms to the main direction of China's vigorous developing on orbit servicing. The research results will have the important theory and application values for the future on-orbital assembly, maintenance, dismantling missions based on space robot.

本课题面向我国空间站以及未来其他大型航天器系统在轨建造与维护的需求，开展大型空间结构在轨装配的多臂空间机器人协调控制研究，包括：(1)建立柔性多臂空间机器人装配大型柔性结构过程中的变构型刚柔耦合动力学模型，分析各种构型下系统的动力学耦合特性，得出空间机械臂、载荷及其基座之间刚性运动、柔性振动等的耦合关系；(2) 提出多臂空间机器人在轨操作大载荷过程中，保持基座稳定的无奇异路径规划与控制方法；(3) 建立多臂传递大型挠性载荷过程中，机械臂末端与载荷的接触碰撞动力学模型，并提出利用双臂的协调运动最小化碰撞效应的路径规划与控制方法；(4) 提出双臂抓持挠性载荷形成闭链后双臂协调操作的轨迹规划与振动抑制方法。. 课题的研究顺应了我国大力发展空间机器人在轨服务技术的大方向，研究成果对于未来大型航天系统在轨组装、维护、拆解等任务，具有重要的理论和实际意义。

本课题开展了大型空间结构在轨装配的双臂空间机器人协调控制研究，取得了如下研究成果：（1）建立了柔性双臂空间机器人装配大型柔性结构过程中的变构型刚柔耦合动力学模型，并分析各种构型下系统的动力学耦合特性，得出空间机械臂、载荷及其基座之间刚性运动、柔性振动等关系；（2）提出了双臂空间机器人在轨操作大载荷过程中保持基座稳定的无奇异路径规划与控制方法；（3）建立了双臂传递大型挠性载荷过程中，机械臂末端与载荷的接触碰撞动力学模型，并提出利用双臂的协调运动最小化碰撞效应的路径规划与控制方法；（4）提出了双臂抓持挠性载荷形成闭链后双臂协调操作的轨迹规划与振动抑制方法；（5）建立了平面气浮台实验系统和空间半物理实验系统，对所提出的方法进行了实验验证。.基于研究的成果，发表了学术论文34篇，其中SCI论文26篇、EI论文8篇；出版了学术专著1部；培养了博士后2名、博士研究生3名、硕士研究生3名。