漂浮基空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)問題研究進(jìn)展

范學(xué)慧 李愛民

摘 要：在自由漂浮狀態(tài)中，空間機(jī)械臂的載體與機(jī)械臂之間存在一定的耦合行為。其本身與地面機(jī)械臂相比，在運(yùn)動(dòng)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面相差非常大，地面機(jī)械相對來說就比較簡單。對于空間機(jī)械臂的研究重點(diǎn)是建立在精確地動(dòng)力學(xué)模型和高效的控制策略的基礎(chǔ)之上。本文詳細(xì)的闡述了空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模的方法以及精細(xì)動(dòng)力；總結(jié)了姿態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、非完整機(jī)械臂路徑規(guī)劃以及避奇異位形的機(jī)械路徑規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)方法等運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方式；闡述了空間機(jī)械臂在捕獲目標(biāo)過程中的動(dòng)力學(xué)模型和控制策略研究。

關(guān)鍵詞：空間機(jī)械臂簡介；動(dòng)力學(xué)模型研究；運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究；目標(biāo)碰撞策略研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.213

1 空間機(jī)械臂簡介

空間機(jī)械臂作為一種重要的在軌服務(wù)工具，在航天航空研究上具有強(qiáng)大的實(shí)用性和寬廣的應(yīng)用空間，能夠在太空之中完成釋放、回收衛(wèi)星；在軌監(jiān)控太空以及在空間站進(jìn)行在軌裝配、維修等各種艱巨任務(wù)，極大減少了航天人員的工作量以及在軌維修等操作的安全性。自從20世紀(jì)80年代以來，世界各國相繼掌握了空間機(jī)械臂技術(shù)，比較突出的有加拿大和NASA聯(lián)合研制的移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)（MSS）、加拿大獨(dú)立研制的Canadarm以及Canadarm2、歐洲機(jī)械臂（ERA）、日本工程試驗(yàn)衛(wèi)星-VII（ETS-VII）等。我國也在空間機(jī)械臂的研究和演示方面進(jìn)行了大量的研究探索。

自由漂浮空間機(jī)械臂由機(jī)械臂載體、載體上的機(jī)械臂以及載體末端的行動(dòng)執(zhí)行器。機(jī)械臂的載體不受系統(tǒng)主動(dòng)控制，位置跟姿態(tài)在空間中處于自由漂浮狀態(tài)，能夠有效的降低了空間燃料的使用，提高了空間衛(wèi)星的使用期限，使空間機(jī)械臂在航空航天領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。但是當(dāng)空間機(jī)械臂處于微重力的環(huán)境下，自由漂浮空間機(jī)械臂與載體在動(dòng)力學(xué)耦合的作用下，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的空間機(jī)械臂會(huì)對載體的位置和姿勢產(chǎn)生一定的影響，從而改變載體的姿勢和位置，反過來進(jìn)一步改變機(jī)械臂的位置和姿態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)表明，空間機(jī)械臂是具有時(shí)間變化、多輸出、多輸入、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)的非線性系統(tǒng)。但由于零件構(gòu)造的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)以及慣性力矩、載體燃料的損耗以及外部信號的干擾等等一些不確定的系統(tǒng)參數(shù)，導(dǎo)致了在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中并不能準(zhǔn)確的獲取精確的、完美的動(dòng)力學(xué)建模數(shù)據(jù)。然而在實(shí)際生活中，實(shí)現(xiàn)自由漂浮空間機(jī)械臂的動(dòng)力模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確是整個(gè)及空間機(jī)械臂研究的重中之重。

2 空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型研究

空間機(jī)械臂分析、控制以及設(shè)計(jì)理念都是建立在擁有精確地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。但是當(dāng)空間機(jī)械臂作業(yè)過程處于一種微重力的環(huán)境下，迫使整個(gè)系統(tǒng)處于一種自由漂浮的狀態(tài)，加上其特有的強(qiáng)耦合性、非完整約束性、奇異性，導(dǎo)致了動(dòng)力學(xué)建模比較困難。另一方面由于燃料消耗的因素，空間機(jī)械臂的剛度需要比地面基座的機(jī)械臂小的多，放大了整個(gè)系統(tǒng)的柔性特點(diǎn)，提高了空間機(jī)械臂動(dòng)力建模的難度。

其實(shí)大量的國內(nèi)外的科學(xué)家已經(jīng)對機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)建模已經(jīng)有較為深入的研究與探索，大部分是依靠地面固定機(jī)械臂為模板，采用牛頓-歐拉矢量力學(xué)法、兼具矢量力學(xué)法、Lagrange方程分析力學(xué)法以及分析力學(xué)法的Kane方法等一系列基本的建模方式，然后一點(diǎn)擴(kuò)面放大到空間機(jī)械臂系統(tǒng)之中，空間機(jī)械臂系統(tǒng)相對應(yīng)的是虛擬機(jī)械臂（virtual manipulator，VM ）法和等價(jià)機(jī)械臂（dynamically equivalent，DEM） 法。

空間機(jī)械臂相對于地面機(jī)械臂來說具有質(zhì)量小、柔性大的特點(diǎn)，但也存在著結(jié)構(gòu)尺寸大、負(fù)荷比較大的缺點(diǎn)。空間機(jī)械臂與電極之間也不完全是剛性連接，為了靈活起見，即使是關(guān)節(jié)之間也有一定的柔和性。此外，機(jī)械臂關(guān)節(jié)還存在摩擦、間隙、阻力等一些不確定因素，都會(huì)直接或間接影響所測量出的機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，提高了機(jī)械臂建模的難度。

3 空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)研究

由于空間機(jī)械臂一般都是在微重力的環(huán)境下作業(yè)，其強(qiáng)耦合性的特點(diǎn)能夠引起載體基座與機(jī)械臂位置和姿態(tài)之間的相互干擾，從而影響機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)的軌跡，非完整約束性、奇異性的特點(diǎn)導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)在某些地方無法實(shí)現(xiàn)一些特定的運(yùn)動(dòng)，因此在實(shí)驗(yàn)中要求對某些因素進(jìn)行規(guī)劃從而使目標(biāo)達(dá)到實(shí)現(xiàn)期望軌跡的運(yùn)動(dòng)軌跡。空間機(jī)械臂與地面機(jī)械臂最重要的區(qū)別在于對載體是不固定，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)能夠引起載體的運(yùn)動(dòng)，反過來載體的運(yùn)動(dòng)又能影響機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)械臂的工作空間減少。

4 空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)過程中的碰撞策略研究

在實(shí)際的試驗(yàn)之中，機(jī)械臂在完成空間操作任務(wù)的作業(yè)過程中，機(jī)械臂末端能夠與被捕目標(biāo)發(fā)生接觸，從而發(fā)生碰撞沖擊，改變了角動(dòng)量的數(shù)值，使整個(gè)操作系統(tǒng)發(fā)生傾斜、翻轉(zhuǎn)、漂移甚至實(shí)驗(yàn)失敗。現(xiàn)階段來說，主要是研究地面基座機(jī)械臂與目標(biāo)碰撞問題的研究，其主要成果是關(guān)于碰撞時(shí)接觸點(diǎn)發(fā)生的變化對整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的影響。由于自由漂浮空間機(jī)械臂具有強(qiáng)耦合性、非完整約束性、奇異性等一系列復(fù)雜的問題，現(xiàn)價(jià)段的研究對于這個(gè)方面研究也比較少，但是相對于地面基座機(jī)械臂來說，經(jīng)過控制規(guī)劃之后應(yīng)該可以適用于空間機(jī)械臂的研究。

5 結(jié)論與展望

本文首先介紹了空間機(jī)械臂、空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)的建模、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的軌跡以及運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的碰撞問題，人后總結(jié)了一些常見的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，闡述了空間機(jī)械臂在捕獲目標(biāo)任務(wù)，所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡和控制策略研究下的動(dòng)力學(xué)模型。雖然我國在各個(gè)階段都有不小的研究與進(jìn)步，但仍在一下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步努力。

（1）空間機(jī)械臂關(guān)機(jī)部位的精細(xì)化。

（2）空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)作業(yè)中碰撞沖擊模型的準(zhǔn)確度。

（3）提高關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力拒的局限性。

（4）對載體彈性控制策略方面進(jìn)行有效研究。

（5）在容錯(cuò)控制策略的條件下，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆鑫.基于滑模的航天器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障診斷與容錯(cuò)控制研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[2]周衛(wèi)東.基于CAN總線通訊的機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（04）：42-46.

[3]黃冉，周前祥，王一豪.基于電流變液的機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（12）：4-6.

[4]李輝，鄧遵義.基于CAN總線分布式機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011（02）：155-157.

作者簡介：范學(xué)慧（1980-），女，吉林長春人，研究生，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化、人工智能。