空间非合作目标捕获机构动刚度在轨识别及接触顺应机理

The capturing technology of space robot is an effective method to carry out on-orbit servicing of the GEO satellites. There are still key technologies which need to be solved in this field. In the meantime, the space capturing task is a new challenge for the study of robot compliance. It is necessary to perform the research on the compliance and identification of dynamic stiffness of space capturing mechanism for non-cooperative target..A new hybrid mechanism with variable topology is proposed to be used for space capturing task of non-cooperative target. The dynamic model of capturing mechanism is established considering the stiffness and energy constraints. The design method of compliance of capturing mechanism is also presented based on energy distribution and stiffness matching. The one dimensional equivalent stiffness model of generalized stiffness mapping equation are obtained. Accordingly, the trajectory planning method is presented based on the on-orbit identification of dynamic stiffness, which provides the theoretical bases for the design and control of space capturing mechanism for non-cooperative target in China.

利用非合作目标对接捕获及空间机器人技术是进行GEO卫星无人在轨维修、寿命延长的有效途径。我国在该领域尚存在一些关键技术问题有待突破，同时空间非合作目标捕获作业任务也给传统的机器人顺应性研究提出了新的需求。立题开展空间非合作目标捕获机构动刚度在轨识别及接触顺应机理研究，对于发展机器人顺应性理论具有重要的科学意义，同时也具有较好的应用前景。.本项目立足我国空间非合作目标捕获技术创新需求，发明一种新型可变拓扑串并混联式非合作目标捕获机构；建立基于能量和刚度约束的非合作目标捕获系统动力学模型，提出空间捕获机构基于能量分配和刚度匹配的顺应性设计方法；建立空间捕获系统六维广义刚度映射的单维等效模型，提出基于机构动刚度在轨识别的空间捕获路径顺应规划方法，以一种新的思路解决空间机器人捕获非合作目标过程中复杂控制及路径规划问题，为我国空间非合作目标对接捕获机构设计及其控制提供理论基础和关键技术支撑。

利用非合作目标对接捕获及空间机器人技术是进行GEO卫星无人在轨维修、寿命延长的有效途径。立题开展空间非合作目标捕获机构及接触顺应机理研究，具有重要科学意义和广泛应用前景。项目提出空间串并混联抓捕机构的构型综合方法，发明了一种新型可变拓扑混联式捕获机构；建立串并混联抓捕机械臂及AKE喷管抓捕机构的运动学模型，提出灵巧度、速度极值等性能指标；建立混联抓捕机构的六维广义刚度映射模型，提出单维等效刚度极值指标，建立驱动和被动顺应刚度匹配的设计方法；建立串并混联机构动力学模型，利用机构刚度映射模型匹配接触顺应控制参数，提出基于运动估计模块及动力学前馈模块的导纳顺应控制方法，并通过半物理仿真和气浮台全物理仿真实验进行了验证，为我国空间非合作目标对接捕获机构设计及其控制提供理论依据和关键技术支撑。项目发表论文9篇，包括ASME JMR、MMT等机构学著名期刊SCI论文3篇、EI论文6篇；申请国家发明专利1项，培养硕、博士研究生4名，其中已毕业硕士3名。