面向大负载在轨自组装任务的太空机械臂系统稳定控制方法研究

As an important tool for construction and maintenance of space station, space manipulator will be an essential safeguard of our 2022 strategic plan to build the space station autonomously. In the capsule assembly, large experiment installation, etc., space manipulator is needed to assemble the object with the interfaces of the space station. Thus, on-orbit self-assembly with a heavy payload is an extremely important work. Due to the current lack of systematic research in this area, the application of space manipulator is greatly restricted..For large load on-orbit self-assembly mission with high precision, stability control strategies for the space manipulator system will be researched. Considering uncertainty of dynamic parameters and assembly environment, the flexible dynamic model of space manipulator system will be established, furthermore, the system dynamics under the impact/continuous internal force will be emphatically analyzed for the closed chain structure consisting of manipulator, payload and the spacecraft base; In order to realize stable on-orbit assembly under the disturbance caused by the collision, the compliance control strategy of space manipulator and the stability control strategy of spacecraft base will be researched; The stable switching method with smoothness and timeliness of space manipulator control model will be designed; The relevant experimental study under microgravity environment will be carried out. The above research results can be useful for all kinds of on-orbit assembly problems for space manipulator.

太空机械臂作为空间站构建和维护的重要工具，是实现我国2022年自主构建空间站战略规划的重要保障。太空机械臂执行舱体组装和大型实验载荷安装等任务时，需要操作待组装物体完成与空间站上相应对接口的装配，因此大负载在轨自组装是太空机械臂极其重要的工作。然而，由于该方面的技术尚不成熟，使得太空机械臂在轨应用受到极大限制。.本课题面向大负载在轨自组装任务，以实现高精度装配为目标，重点开展太空机械臂系统稳定控制方法研究。建立考虑动力学参数以及装配环境不确定性的太空机械臂系统柔性动力学模型，进而针对机械臂-大负载-基座封闭链式结构，着重分析冲击/持续内力作用下系统动力学特性；以实现碰撞扰动下的在轨稳定装配为目标，研究太空机械臂柔顺控制策略以及航天器基座稳定控制策略；设计实时连续的太空机械臂控制模型稳定切换策略；开展微重力环境下相关实验研究。研究成果对于解决太空机械臂各类在轨装配问题具有普遍性。

随着国际航天事业的迅速发展和太空探索的不断深入，空间操作任务越发复杂。太空机械臂因其具有强大的操作能力，常被用来执行大负载在轨自组装任务，即操作具有大质量和大惯量的待组装物体与基座表面相应的接口进行装配，具有广泛的应用前景。本课题针对太空机械臂执行大负载在轨自组装任务中的系统稳定控制方法展开研究工作，取得如下研究成果：.考虑系统动力学模型的误差和自组装引起的碰撞/接触扰动，提出了在轨自组装系统封闭链式动力学建模方法，为复杂的刚柔耦合系统动力学分析提供了通用化手段；针对碰撞可能引起机械臂关节损坏和确保装配过程中太空机械臂的柔顺特性，分别提出了考虑综合指标的太空机械臂装配前优化策略、太空机械臂柔顺控制策略和航天器基座姿态稳定控制策略，保证了太空机械臂在关节损坏和模型参数不确定情况下仍能顺利执行自组装任务；为确保上述阶段控制模式切换过程的连续性和平滑性，提出了一种太空机械臂轨迹控制与力控制的稳定切换策略，实现了太空机械臂不同运动阶段采用不同控制模型的稳定切换；建立了一套能够模拟大负载在轨自组装任务的太空机械臂地面综合实验平台，验证了本项目所提的太空机械臂系统稳定控制方法的正确性及有效性。.通过上述研究工作的开展，课题组在封闭链式动力学建模方法、大负载稳定装配控制策略以及面向大负载在轨自组装任务的太空机械臂地面实验验证方法等方面取得重大突破。研究成果对于解决太空机械臂执行大负载在轨自组装问题具有普适性，同时可以为我国空间站的搭建及太空机械臂的在轨应用奠定理论基础，提供技术支撑。基于本项目研究成果，课题组在国内外期刊上及学术会议上共计发表学术论文47篇，其中包括SCI检索20篇和EI检索27篇（期刊论文9篇，会议论文18篇）；申请相关研究的发明专利9项，其中4项已授权，5项已公开；培养了博士研究生3名，硕士研究生8名，其中1位研究生获校级优秀博士学位论文，2位研究生获校级优秀硕士学位论文。