面向精密操作的太空机械臂低速级联定位与非同位振动控制策略研究

Building a space station is the key procedure of "three-step strategy for China's aerospace". The large-scale robotic arm, to be installed in the space station, play a crucial role in the implementation of docking and rail task. In this issue, the flexible multibody robotic arm and its precise operation control strategy is researched as the scientific subject. Firstly, high dimensional nonlinear cascade systems for transmission joint generated during low-speed operation，the design method of " macro-micro " positioning strategy is researched based on dynamic surface technique and self-recurrent wavelet neural intelligence theory. The problem of high precision positioning for global cascade and local friction coexisting is to be solved. Secondly, non-collocated vibration characteristics for large flexible arm is considered. The vibration suppression strategy under the non-minimum phase is to be explored based on the flexible multi-body dynamics and differential geometry theory. The problem of stability control for distributed parameter dynamical system is to be solved. The research findings, which will reveal the dynamics nature of flexible multibody system and achieve precise control, play an important part in theoretical guidance and engineering applications.

建立空间站是我国航天"三步走"战略的关键环节，站上拟安装的大型机械臂在太空对接及在轨任务的执行中发挥着重要作用。本课题以太空机械臂这一典型多柔体系统为研究对象，重点研究其精密操作控制策略。首先，针对传动关节低速运行时产生的高维级联非线性系统，基于动态曲面技术和自回归小波神经智能理论，研究"宏微式"定位策略的设计方法，解决全局级联和局部摩擦并存时的高精度定位问题；其次，针对大柔度臂杆的非同位振动特性，通过将多柔体动力学与微分几何理论相结合，探索非最小相位意义下的振动抑制策略，解决分布参数动力系统的稳定控制问题。项目的研究成果对于揭示多柔体系统的动力学本质及实现其精密稳定控制具有重要的理论指导意义和工程应用价值。

太空机械臂的精密操作能力决定了其执行太空操作任务的复杂度和成功率，分析串联式多柔体系统的动力学特征并设计出高精度控制策略，具有重要的科学意义和工程应用价值。本课题建立了低速传动关节包含全局级联柔性和局部摩擦非线性特征的动力学方程，基于动态曲面控制（DSC）技术和自回归小波神经网络理论提出了一种无需依靠摩擦模型的宏微式智能控制策略，实现了非线性传动关节的精密定位。在某型太空机械臂地面关节样机上开展实验研究，结果表明：在消耗同等能量的前提下，较之常规PID控制方法所提出控制策略的定位精度提高了60%。面向太空大柔度可展低频构件的非同位振动特征，基于微分几何理论和全局滑模理论提出了一种鲁棒控制方法，无需附加额外的作动器，仅依靠关节力矩即可实现非同位振动抑制。在某型太空机械臂等效样机上开展实验研究，结果表明残余振动振幅降至振动抑制前的20%以内，收敛时间缩短至抑制前的20%以内。以上控制策略的研究成果，为解决串联式多柔体动力系统的高精度定位问题，并实现太空机械臂的精密操作提供了理论参考和工程借鉴。