空间绳系机器人建模与协调控制方法研究

由于操作灵活、安全性高等诸多优点，空间绳系机器人在未来在轨服务中将得到广泛应用。但空间绳系机器人是一种无根的刚柔结合系统，末端抓捕装置的控制十分困难。针对空间绳系机器人末端抓捕装置的精确位姿控制难题，本课题首先研究两端带推力的十米级空间系绳任意方向释放/展开/回收建模问题、空间系绳振动建模问题、空间系绳对末端抓捕装置的干扰建模问题，末端抓捕装置与空间平台间的耦合建模问题，完善对两端带推力的十米级空间系绳释放/展开/保持/回收/振动等各个特性的认识。在此基础上研究空间绳系机器人与空间平台间的协调机动策略，设计协调控制系统，在仅能获得具有锥形误差相对位姿信息的条件下，研究末端抓捕装置精确位姿控制方法，提高末端抓捕装置的控制精度，提高空间机器人操作的灵活性和安全性，为新型的空间绳系机器人的发展奠定基础。

针对空间绳系机器人的末端抓捕装置的位姿控制难题，本项目从空间系绳与绳系机器人的精细建模、空间绳系机器人协调控制两方面展开研究。在空间系绳与绳系机器人的精细建模方面，提出基于有限单元和基于混合单元的空间系绳建模理论，并分别基于珠子模型、Ritz法、混合单元法、牛顿-欧拉矢量法、Hamilton原理建立了考虑弹性、振动、分布质量、分布力的空间绳系机器人数学模型、系绳干扰模型、末端抓捕装置与平台的耦合模型；通过动力学仿真，分析了空间绳系机器人的平衡状态、纵向振动特性、释放特性、回收特性、与目标的碰撞特性等，完善对两端带推力的十米级空间系绳各个特性的认识。在空间绳系机器人的协调控制方面，分别研究了空间绳系机器人逼近目标的协调控制方法和目标捕获及捕获后的协调稳定方法。针对逼近协调控制问题，提出并研究考虑平台运动的逼近协调控制方法、考虑系绳干扰的逼近协调控制方法、逼近位姿一体化协调控制方法、基于可移动系绳点的协调控制方法；考虑目标测量的锥形误差域，提出一种基于直线跟踪的超近距视觉伺服控制方法；提高末端抓捕装置的控制精度，并有效降低燃料消耗。针对捕获及捕获后协调稳定问题，提出一种捕获过程的协调稳定方法和机器人/目标复合体姿态协调稳定方法，提高空间绳系机器人的效能。项目的研究有效提高了空间机器人系统的灵活性和安全性，为新型空间绳系机器人的发展奠定基础。