多臂空间机器人捕获自旋目标的协调运动规划研究

In fact, targets to be serviced in orbit are failure satellite, space debris, etc. These objects are in spin motion state that it is very difficult to capture them. For the key issue of multi-arm space robot capturing spinning target, Research carried out as follows: (1) established the kinematic equations and coupled dynamic model to Multi-arm space robot system capturing the spin target during various stages (before the capture, contact collision, after the capture); (2) the singularity-free method was proposed to plan the coordinated trajectories.of the balance arms to keep the base stable; (3) the coordinated planning method was proposed to reduce attitude deflection and keep complex system stable, on the situation of end load changing greatly and the cumulative effects of the collision force.. This research conforms to the trend on the development of on orbit service using space robot in our country, and has an important theoretical and practical significance in orbital maintenance, assembly, and rescue using space robot.

实际在轨服务的对象为在轨故障卫星、空间垃圾等，可能处于自旋运动状态，这对目标捕获提出了巨大挑战。本课题针对多臂空间机器人捕获自旋目标的关键问题，开展如下研究：（1）建立多臂空间机器人系统捕获自旋目标中各阶段(抓捕前、接触碰撞、抓捕后)的运动学方程和耦合动力学模型；（2）提出保持基座稳定的无奇异多臂协调运动规划方法，利用平衡臂抵消任务臂运动对基座产生的干扰，保持基座稳定；（3）提出复合体系统稳定的协调规划方法，解决末端负载发生极大变化、目标存在初始运动及碰撞力累积作用下，基座姿态偏转，复合体系统失稳的问题。. 课题的研究顺应了我国大力发展空间机器人在轨服务技术的大方向，对于未来开展空间机器人在轨维护、装配、援救等任务，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

随着人类太空活动的不断增多，轨道上的人造物体也随之不断增多。但是，除去少数仍为人类提供服务的航天器以外，大多数人造物体已成了太空垃圾。太空垃圾长期在轨运行，不但占据了宝贵的轨道资源，而且也会在轨爆炸、解体，以致产生更多的空间碎片，这已成了国际社会高度关注的问题。为了能够开展对失效、失控航天器的维修维护，以及对轨道垃圾的清理等任务，关键需要实现对上述物体的在轨捕获。.所需要捕获的太空垃圾可能处于自旋运动状态，这对目标捕获提出了巨大挑战。本课题针对多臂空间机器人捕获自旋目标的关键问题，主要研究内容包括：自旋目标捕获过程中各阶段的复杂动力学建模研究；自旋目标捕获中保持基座稳定的无奇异协调运动规划研究；自旋目标捕获后复合体系统稳定的协调运动规划研究。.通过该课题的开展，取得的重要结果是：建立了多臂空间机器人系统捕获自旋目标中各阶段的运动学方程和耦合动力学模型，为后续的规划和控制奠定基础；提出一种保持基座稳定的无奇异多臂协调运动规划方法，利用平衡臂抵消任务臂运动对基座产生的干扰，保持基座稳定；提出一种复合体系统稳定的协调规划方法，解决末端负载发生极大变化、目标存在初始运动及碰撞力累积作用下，基座姿态偏转，复合体系统失稳的问题。.通过该课题的开展取得了一系列的学术成果，包括发表SCI收录期刊5篇，EI收录国际会议7篇，授权发明专利6项，培养硕士研究生6名。所形成的研究成果部分应用到了我国“实践二十一号卫星”项目。实践二十一号卫星项目于2021年10月24日发射成功，主要用于空间碎片减缓技术试验验证。