非稳态润滑下的空间机械臂谐波传动关节动力学建模与应用研究

Joint is the core component of space manipulators. Due to the particularity of space application, the purpose of its dynamic modeling not only should reflect the nonlinear characteristics of the joint itself, but also need to describe the real change of dynamic characteristics when gravity environment changes from ground to space. Considering the transmission of force and motion between components occurs on the clearance interface of kinematic pair in joint, the performance of manipulators is inevitably constrained by interface behavior. In order to adapt the requirements of space applications, and to establish a more accurate dynamics model, the study of kinematic pair lubrication contact models for ground and space environments would be the breakthrough point for this subject, and the dynamic model for typical harmonic drive joint would be established based on unsteady elasto-hydrodynamic lubrication and non-linear Hertz contact theory. Moreover, the semi-physical simulation test would be developed. The application scheme of the model for joint position/velocity coordinated control would be proposed, and the virtual gravity sensor based on the model would be designed to improve the value of engineering application of the model. The research results are expected to provide new theoretical basis for improving effectiveness of the research on the ground.

关节是空间机械臂的核心部件，由于空间应用的特殊性，其动力学建模的目的不仅应体现关节本身的非线性特点，更需要能够描述从地面到太空的重力环境改变后其动力学特性的真实变化。考虑到关节内部各机械部件之间作用力和运动的传递实际发生在运动副的间隙界面上，机械的运行性能不可避免地受到界面行为的约束。为适应空间应用的需求，建立更精确的动力学模型，本课题设想以地面和太空不同工况分别适用的运动副润滑接触模型探讨为切入点，结合非稳态弹流动力润滑与非线性赫兹接触理论等相关原理，建立典型的谐波传动关节动力学模型，同时研究用于验证模型有效性的半物理仿真试验技术。并进一步提出模型在关节位置/速度协调控制中的应用方案，设计基于模型的虚拟重力传感器，以提升研究成果的工程应用价值。本课题的研究有望为提高空间机械臂地面研发的有效性提供新的理论基础。

本项目研究了非稳态润滑下的空间机械臂谐波传动关节动力学建模与应用问题。在研究期间主要研究内容为：推导了含间隙、润滑的空间机器人关节动力学解析式，并基于一种典型的谐波传动关节设计了半物理模拟试验平台，利用试验数据修正了不同重力环境下适用的关节摩擦与润滑模型。以此为基础，建立空间机器人系统运动模型，重点考虑了关节非线性、未知动量耦合、渐进变化载荷交互力等因素，分析了在燃料补给和大型结构装配等具体应用操作中，重力和润滑对空间机器人动力学特性的影响。并进一步分析用于理想模型传统控制策略的缺陷，为消除地面装调和空间应用不同阶段重力与润滑耦合效应的改变对控制器性能的影响，设计了下列控制策略：将重力加速度g的估计误差作为一个状态变量，扩展动力学模型，推导系统Hamilton形式，基于能量函数整形方法设计预置镇定控制项，提出一种在不改变控制器结构与参数的情况下，可实现全生命周期不同工况下机器人系统非线性自适应抑制与末端准确定位的鲁棒控制方案。利用对模型变化进行积极辨识并在线补偿的自适应控制思想，基于ADRC算法、分数阶理论，以及PSO参数优化方法，提出PDｕ-SMC策略，针对上述分析中的关节非线性进行控制。提出了一种基于模糊幂次趋近律的快速滑模变结构控制方法，提高趋近运动速度，对系统未知动量耦合进行了控制。最后，通过与常规控制策略的对比，验证了上述所提控制方案在各种应用场景下的有效性，为实际应用提供理论基础及参考。