面向在轨服务的空间仿生柔性自主操控研究

In this project, a new theoretical method of space flexible and autonomous manipulations for on-orbit servicing is presented based on composite soft organisms of invertebrate inchworm and vertebrate snake in presence of space complicated environment, high dynamics and various resolutions of maneuvering platforms and targets. It focuses on study of the bionic function and topological structure, the mechanism of motion and force transmission of bone-muscle-skin composites, the autonomous perceiving and compliant control, for space bionics based flexible manipulation. The performance measures are put forward based on the norm of statistical distances. This project will provide a new theoretical approach and technological tool of effective solution to space flexible and autonomous manipulations for on-orbit servicing with the restricted site zones and multi-obstacles.

本项目面向空间在轨服务重大需求，针对复杂空间环境、高动态和变分辨率约束条件，基于无脊椎动物昆虫“尺蠖”和脊椎动物“蛇”的复合体柔性生物结构与操控行为，提出一类新的空间仿生柔性自主操控理论与方法，重点研究面向空间操控的仿生柔性机构类生物机能与拓扑结构，揭示空间仿生柔性机构骨-肌-皮复合体的运动与力传递机理，发展空间仿生柔性操控的自主认知与柔顺控制方法，提出基于统计距离范数的综合评估性能测度，为受限区域和多障碍物条件下的空间柔性操控和在轨服务提供新的理论方法和技术手段。

本项目面向空间在轨服务重大需求，针对复杂空间环境、高动态和变分辨率约束条件，基于无脊椎动物昆虫“尺蠖”和脊椎动物“蛇”的复合体柔性生物结构与操控行为，以提升空间柔性精细操控能力为目标，提出了一类新的空间仿生柔性自主操控理论与方法，重点研究了面向空间操控的仿生柔性机构类生物机能与拓扑结构，揭示了空间仿生柔性机构骨-肌-皮复合体的运动与力传递机理，发展了空间仿生柔性操控的自主认知与柔顺控制方法，提出了基于统计距离范数的综合评估性能测度，为受限区域和多障碍物条件下的空间柔性操控和在轨服务提供了新的理论方法和技术手段。.具体针对“空间仿生柔性机构的类生物机能与拓扑结构（结构）”，“空间仿生骨-肌-皮复合体的运动与力传递机理（动力学）”和“空间仿生柔性操控的自主认知与柔顺控制（操控）”三大科学问题，通过对柔性生物体的组织结构、运动机理和力学特性进行分析，设计和研制了三代复合式“蛇形-尺蠖”空间仿生柔性机构的拓扑结构与原型样机；基于多传感器（仿蛇神经元）对空间仿生柔性结构进行了信号处理与控制，实现了运动规划与避障等运动控制；构建了空间仿生柔性操控系统地面仿真试验平台和试验床，开展了空间仿生柔性机构结构、动力学、操作控制等基础理论方法和关键技术的有效性验证，设计并实施了柔性操控机构最大负载（1千克）条件下的目标抓捕与放置等试验，顺利完成目标物定点抓取与放置等操控任务。仿真和试验证明，本项目可为高品质空间柔性精细操控提供新的理论方法和技术支撑。