仿海葵连续型臂群创新设计及其面向空间非合作目标的捕获机理研究

This project presents a novel continuum-arm swarm robot inspired by the anatomy and motions of sea anemones considering the manipulation characteristics of high tolerance, high adaptability and rigid-flexible coupling for capturing non-cooperative targets in any direction. A complete set of theoretical methods that includes design, optimization, modelling, and control in its “contact-wrap-lock” process is established. The spring-damping-mass network and the Hertz model are used to reveal the influence of the target dynamics and mechanism design parameters on the rigid-soft collision. An online optimization algorithm is introduced to determine the motion pattern of each continuum arm constrained by force-closure condition. Then, the complex cooperative motion strategy of continuum-arm swarm is studied. The stiffness of single continuum arm and the influence of frictional contact force between continuum arms on stability of the system are studied. Variable structure control is used to adjust the stability of the flexible capture system under the external disturbance. The proposed continuum-arm swarm robot and its capture strategy can adapt to different structures of targets, reduce the difficulty of control system and improve the reliability of the task. The expected results of this project will provide theoretical basis and technical support for the development of on-orbit capture and coexisting-cooperative-cognitive robots technologies in China.

本项目面向空间非合作目标捕获的重大需求，针对大容差、强适应性和刚柔相济等操作特点，借鉴无脊椎腔肠动物海葵的生理结构及运动方式，创新性地提出一种连续型臂群机器人，可捕获从任意方向进入臂群的目标。建立连续型臂群机器人“接触-缠绕-锁紧”过程中包含设计、优化、建模及控制的一整套理论方法。采用弹簧-阻尼-质点网络及赫兹模型揭示被捕获目标动态参数和机构设计参数对刚-柔碰撞特性的作用机理。引入一种动态优化算法，以抓取力封闭判定为约束条件，得到各连续型臂的最优运动方式，并进一步研究连续型臂群复杂协同运动机理。研究单臂刚柔特性及多臂间接触摩擦力对系统稳定性的影响，采用变结构控制算法调节外部扰动下柔性捕获系统的稳定性。所提出的臂群机器人及其捕获方式可适应不同结构特征的目标，降低系统姿态控制的难度，提高任务可靠性。本项目预期成果将为我国在轨捕获及共融机器人技术发展提供理论依据和技术支持。

太空中的非合作目标捕获是空间机器人领域中亟待解决的问题之一。传统的空间机器人需要精确的方向和位置控制来捕获不同形状、大小和高速的非合作目标。特别是捕获过程中的碰撞冲击会对刚性夹持器甚至空间飞行器本体造成严重的安全威胁。现有的柔性捕获装置由于其较低的速度和夹持力无法实现对动态目标快速响应导致捕获失败。因此，本项目针对以上问题，主要面向空间非合作目标捕获的重大需求，立足大容错、强适应性和刚柔混合等操作特点，从多触须动植物（海葵、捕蝇草等）捕食动态猎物行为中汲取灵感。创新性的设计了连续型臂群捕获动态非合作目标的机器人。建立了触须柔性大变形的运动-力学耦合模型和多触须碰撞动力学模型。构建了臂群协同运动捕获动态目标操作机制。揭示了动态目标与大变形柔性系统的碰撞变形和能量耗散机理。制定了根据动态目标行为的动态捕获策略，利用连续型机器人增益控制分析捕获机器人稳定条件，形成了臂群机器人与捕获动态目标的控制方法。本项目的成果也将为我国空间机器人在轨服务及共融机器人技术发展提供理论依据和技术支持。