关键词：
空间多臂机器人
深度强化学习路径规划
非合作目标柔顺抓捕
非合作目标消旋与转位控制
复杂操控任务柔顺控制
摘要：
随着人类航天事业的蓬勃发展,航天器发射活动逐年增多,随之而来的是空间失效目标对于轨道资源的占用以及正常运行卫星的威胁大大增加。基于空间机械臂的在轨操控对于提高太空任务的效率和安全性、支持空间制造和维修、实现空间资源合理利用具有重要作用,因此对于空间机械臂在轨操控的研究具有重要的科学价值。虽然当前在面向如目标抓捕、消旋等单一特定任务的空间单、双臂机器人的动力学与控制方面的研究已逐渐成熟,但是对于基于空间多臂机器人完成复杂操控任务,尤其是对于空间翻滚非合作目标的捕获、消旋与维修操作这一完整在轨服务任务流程来说,当前的研究仍存在不足。因此本文针对上述不足,基于装载多机械臂的服务航天器,对空间翻滚非合作目标的抓捕与操控路径规划、有限时间柔顺抓捕策略、消旋稳定与转位一体化控制以及面向复杂操控任务的柔顺控制等问题进行了研究,论文的主要贡献如下:
首先,开展面向非合作目标捕获与操控的空间多臂机器人路径规划研究。基于深度确定性策略梯度算法设计了空间双臂机器人协同捕获路径规划算法,解决了抓捕过程中的双臂协同捕获路径规划问题,考虑复杂多变的空间环境的影响以及任务过程中机械臂末端执行器速度约束和双臂之间的自碰撞约束等复杂约束条件,通过对各约束条件的内在特性分析,对奖励函数进行了特异性设计,使算法能够在实现主要目标的同时满足所考虑的复杂约束条件。在此基础上,在奖励函数的设计过程中结合了人工势场的思想,对路径规划算法进行了改进,进一步解决了操控过程中的单臂位姿对准路径规划问题,并提高了算法的收敛性,增强了算法应对复杂约束条件的能力。
其次,开展面向非合作目标捕获的有限时间柔顺抓捕策略研究。考虑自由漂浮基空间机械臂的动力学特性,将欠驱动形式的动力学模型转换为完全驱动形式的动力学模型,并引入机械臂正运动学关系,建立了以被控对象即末端执行器位姿自由度为广义坐标表示的末端执行器动力学模型。在此基础上设计了全局快速非奇异终端滑模控制,解决了末端执行器的有限时间轨迹跟踪控制问题,实现了末端执行器的有限时间轨迹跟踪控制。进一步地,设计了一种三指末端抓握机构,并建立了末端执行机构-目标抓捕位置子系统动力学模型,在该模型基础上基于柔顺控制理论设计了复合柔顺抓握控制策略,解决了末端执行器对目标的柔顺抓握控制,实现了机械臂与非合作目标之间的稳定固连,完成了对目标的捕获任务。
再次,开展非合作目标组合体系统消旋稳定与协同转位一体化控制策略研究。从目标的动力学角度出发,综合目标消旋与转位两个任务目标,利用贝塞尔曲线将目标的运动轨迹进行参数化处理。基于参数化的目标运动轨迹,以目标的合外力、合外力矩约束为优化指标,考虑目标动力学参数不确定性,求解得到最优的任务时长,并代入到参数化的目标运动轨迹中,从而解决了考虑目标动力学参数不确定性的时间最优消旋转位轨迹规划设计问题,得到了考虑目标动力学参数不确定性的时间最优消旋转位轨迹。进一步地,引入基于臂型角的逆运动学方法对目标的期望运动轨迹进行逆运动学解算并求导,从而得到期望的消旋稳定与协同转位一体化关节空间轨迹,基于反馈线性化理论设计了关节轨迹跟踪控制器,解决了对期望的消旋稳定与协同转位一体化关节空间轨迹的跟踪控制问题,通过一次控制就同时完成了对目标的消旋稳定与协同转位两个任务目标,大大节省了空间操控任务中宝贵的任务时间以及空间多臂机器人系统的能源。
最后,开展面向复杂操控任务的空间多臂机器人柔顺控制方法研究。利用自由漂浮空间多臂机器人系统的动力学特性以及末端执行器与机械臂关节之间的相对运动关系,建立了末端执行器相对动力学模型,并以模块插拔与部件切割这两类典型空间操控任务为例,基于柔顺控制理论分别发展了基于导纳控制与模型参考自适应阻抗控制的柔顺控制方法,解决了执行复杂操控任务时空间多臂机器人系统的柔顺控制问题。进一步地,基于第一类拉格朗日方程建立了空间并联闭链多体系统的微分代数方程形式的动力学模型,并基于独立坐标法发展了将微分代数方程形式的动力学模型转化为常微分方程形式的动力学模型的动力学模型转换方法,解决了微分代数方程形式的动力学模型难以进行数值积分的问题。在此基础上,将执行复杂操控任务过程中单双臂抓捕的负载变化情况归纳为两类典型的任务阶段,并定量分析了单双臂抓捕以及抓捕点位置对抓捕臂末端的负载力与负载力矩的影响,解决了执行复杂操控任务过程中单双臂抓捕的负载能力分析问题,验证了双臂抓捕相较于单臂抓捕在执行捕获后操控任务时具有更大的负载能力,同时给出了单双臂抓捕时负载能力相对较大的抓捕点位置。
