基于弹性接触和摩擦模型的空间双臂机器人稳定运动操作技术研究

Dual-redundancy arm space robots have similar structure and scale with human, so they can achieve most space mission availably without any alteration of space station. It can reduce labour intensity of astronauts and even achieve unmanned maintenance of space station, so it is very significative of future research on space and universe science. Because of the special dynamics brought by space tiny gravity environment and the restriction to the hardwares of space robot by the condition of space station, the stability and safety of robot’s space manipulation is a key of space robots’ application. In this term we analyses the contact status when the space robot is moving or operating, and build mathematic model of contact and friction, to slove the problem that the control effect is destroied seriously by the destabilizition element such as contact ad friction. We also distribute dual-arm expected rigidity vectors under the Cartesian coordinate system to release the inner force of the dual-arm closed loop rapitly. At last we translate the dynamics feedforeward value to control voltage vector of motor through two mathmatics models, the motor medol of the joint and the joint model. This method can solve the problem that the response speed of a traditional feedback controller is not quick enough, and can achieve dual-arm safe manipulation.

双冗余臂航天机器人具有同人类类似的结构构型和尺寸，能在不改造空间站结构的情况下，灵活有效地完成相当的空间任务，是未来我国空间站运营过程中，降低航天员工作强度、甚至实现空间站无人值守的重要工具，对未来空间科学探索具有重要意义。由于空间微重力环境带来的独特动力学特性，以及空间站条件对机器人硬件的制约，航天机器人空间操作的稳定性与安全性是其空间应用的关键。本项目深入分析空间机器人运动与操作时的接触状态，建立接触和摩擦模型，解决机器人在空间操作和移动时，由于接触和摩擦等扰动因素严重破坏控制效果的问题，合理分配笛卡尔坐标系下双臂的期望刚度向量，实现双臂闭环内力的快速释放；最后通过关节电机和关节组件两个数学模型，将动力学前馈量直接转化为电机控制电压矢量，实现空间双臂机器人安全操作。

空间双臂机器人由于不受生理条件限制，可以在太空更长期驻留，因而随着人类空间探索技术的发展， 在空间站长期维护和辅助航天员工作方面的需求日益迫切。空间环境的微重力特点使得空间机器人的运动与操作方式都与地面环境有很大差异，空间机器人在微重力环境下平稳安全的运动和作业问题始终是至于空间机器人发展的重要科学问题。因此，本项目以空间双臂机器人为研究对象，从机器人与被操作对象的接触力关系入手，建立了接触关系模型，考虑机器人与操作对象接触瞬间的弹性碰撞状态和接触后的摩擦特性，从而得到了更完善的，包含接触状态的机器人动力学模型，在此基础上，研究了适应空间环境下的机器人关节控制机制，综合接触状态、受力状态和动力学模型，实现了空间双臂机器人的空间安全稳定操作与运动，同时其控制方法也可拓展到其他微重力环境下的小型服务机器人的运动控制中。