弱撞击空间对接机构及其主动柔顺控制的研究

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相比于传统的被动缓冲式空间对接,弱撞击空间对接具有对接过程中接触力小、允许的初始位姿偏差大等优点,因此成为国际空间技术研究的热点。柔顺对接需要在对接过程中实时采集对接接触力,进行信号处理并完成位置命令修正,导致控制系统更加复杂;同时,由于弱撞击空间对接机构允许的对接初始条件更加恶劣,所以有必要选择合适的优化目标对空间对接机构进行优化设计。因此本文对弱撞击空间对接机构的优化设计方法以及柔顺控制策略进行了研究,为开展弱撞击空间对接进行理论储备。首先,为完成弱撞击空间对接模拟实验,本文以Stewart平台作为主动对接平台,在每个支链末端安装一维力传感器,用于采集对接过程中的接触力信息,完成其构型设计,进行其正逆运动学分析,其中正运动学采用数值迭代的方法完成,并完成其雅克比矩阵的推导,为后续的尺度综合和柔顺控制奠定了基础。为提高对接机构的综合性能,对基于雅克比矩阵和螺旋理论的并联机构的性能评价指标进行深入的对比分析,选定具有坐标系不依赖性和单位统一性优点的螺旋理论评价指标,利用其进行结构优化,并提出全局传递性能指标(GTIc)来评价确定工作空间条件下并联机构的传递性能。采用粒子群算法开展空间对接机构的尺度综合,为弱撞击对接机构的研制提供理论指导。基于此,进行对接机构的设计以及优化结果的验证。然后,为实现弱撞击空间对接,降低对接过程中的接触力,本文在传统阻抗控制的基础上,设计惯量-阻尼控制器,消除由于机器人末端操作器偏离期望位置而产生的恢复力,使机器人表现出对环境的完全适应性。此外,提出期望对接力解算方法,用以判定对接是否完成。并在此基础上,提出关节空间柔顺控制策略和笛卡尔空间柔顺控制策略来完成对接环位姿测量不精确条件下的弱撞击对接,采用MATLAB和ADAMS联合仿真方式验证两种控制策略的可行性,并对比分析其各自的优缺点。最后,设计3UPS-PS并联机构作为被动对接平台以构建对接模拟实验系统,完成其电气控制系统和软件控制系统的研制,对主动柔顺控制策略进行实验验证。完善了弱撞击空间对接实验流程,攻克力信号滤波、重力补偿、主被动对接环位姿测量等相关技术,并进行弱撞击空间对接模拟实验,验证控制策略的可行性。
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