面向在轨服务的新型空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法研究

Tethered space robot (TSR) is a novel kind of space robot, which consists of a gripper, a space tether and a space platform. Compared with traditional space robot, TSR features advantages of high operation flexibility and long operation workspace, which determines its future use in on-orbit services including on-orbit maintenance, on-orbit refuelling, auxiliary orbit transfer and space debris removal. Target capture is an essential and key mission for TSR, but its control is quite complicated and difficult, because TSR is a highly coupled multi-body system due to the existence of the flexible space tether. Therefore, this project focuses on the investigation of target capture and post-capture control for TSR. The dynamics characteristics of TSR during target capture and post-capture phases are investigated, and the corresponding target capture and post-capture stabilization methods for TSR are studied. All the research in this project aims to make contributions to the development of the TSR.

空间绳系机器人是一种由“空间平台+空间系绳+末端抓捕机构”组成的新型空间机器人，具有操作灵活、操作距离远、安全性高等优点，可广泛应用于在轨维修、轨道垃圾清理、辅助变轨及在轨空间站辅助组装等未来在轨服务中。对目标进行稳定抓捕是空间绳系机器人进行在轨服务的前提，但由于空间绳系机器人是一种刚柔组合的多体系统，空间柔性系绳的存在，使得其动力学高度耦合，目标抓捕控制十分困难。针对新型空间绳系机器人目标抓捕稳定控制难题，本课题首先建立了目标抓捕碰撞动力学模型，通过分析完善对目标抓捕及抓捕后动力学特性的认识；在此基础上研究这种带空间柔性系绳的新型空间绳系机器人目标抓捕及抓捕后稳定控制方法，为新型空间绳系机器人的发展奠定基础。

在轨服务是空间技术发展的一个新热点，主要包括在轨维修、在轨加注、辅助实验、辅助空间站组装等方面。空间机器人在辅助变轨、轨道垃圾清理、失控卫星救助等方面，空间机器人拥有先天的优势，是帮助或取代宇航员的最佳选择。.本文研究的是一种“空间平台+空间系绳+末端抓捕机构”的新型空间绳系机器人系统，具有安全、灵活、操作距离远等优点，可广泛应用于包括在轨维修、轨道垃圾清理、辅助变轨及在轨空间站辅助组装等未来在轨服务中。.本项目以空间机器人动力学、柔性体运动学、轨道力学为基础，建立空间绳系机器人目标抓捕碰撞动力学模型，通过分析完善对目标抓捕及抓捕后动力学特性的认识；在此基础上，研究这种带空间柔性系绳的新型空间绳系机器人目标抓捕稳定控制方法。.本项目基于拉格朗日方法，考虑空间系绳柔性特点，建立了空间绳系机器人动力学模型；考虑到抓捕手爪构型以及空间待抓捕目标特性，建立了空间绳系机器人与待抓捕目标的碰撞动力学模型。在此基础上，分析了目标抓捕过程中的碰撞动力学特性以及抓捕后复合体动力学特性，为后续目标抓捕过程稳定控制和抓捕后复合体稳定控制方法设计提供依据。.针对空间绳系机器人目标抓捕过程，考虑到抓捕手爪与目标的碰撞特性，设计了基于神经网络的目标抓捕稳定控制器。利用神经网络对抓捕过程中空间绳系机器人的动力学不确定性进行估计，保证位置和姿态的精确控制；考虑到自选目标抓过程中可能碰撞对抓捕过程中影响，设计了阻抗控制器，实现了自选目标抓捕的接触碰撞稳定控制。.针对空间绳系机器人目标抓捕后稳定控制问题，分别设计了基于主动摩擦消旋控制方法和利用系绳拉力的空间绳系器人位置和姿态协调控制控制方法，仿真表明，以上方法均能有效的实现对抓捕后复合体位置和姿态的稳定控制.本项目的研究将为空间绳系机器人在未来在轨服务应用奠定技术基础。