摘要
针对漂浮基空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞从顺控制问题,为此在关节电机与机械臂之间配置了一种弹簧扫臂类缓冲装置,其作用在于:一、捕获操作接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获航天器对空间机器人关节产生的冲击能量;二、捕获操作结束后的镇定运动阶段结合与之配合的避撞从顺控制策略来适时开、关关节电机,以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围.首先,针对捕获操作前配置弹簧扫臂类缓冲装置空间机器人系统及目标航天器系统,分别应用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法获得两分体系统动力学方程;之后,结合整个系统动量守恒关系,捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获操作后两者形成联合体系统的综合系统动力学方程.考虑弹簧扫臂类缓冲装置的引入,导致系统关节具备柔性,利用奇异摄动理论将系统分解为两个独立的子系统:快变子系统和慢变子系统.针对快变子系统,设计了速度差值反馈控制器,以实现系统弹性振动抑制,保证系统的稳定性.针对慢变子系统,设计了一种避撞从顺模糊自适应H∞鲁棒控制方案以实现其镇定控制.上述结合弹簧扫臂类缓冲装置给出的控制方案在有效实现吸收、缓冲捕获操作产生的冲击能量的同时,还能在冲击能量过大时适时开启、关闭关节驱动器,以避免关节驱动器发生过载与破坏;除此之外,该控制方案采用模糊逻辑为机器人系统建模,克服了传统控制需要进行动力学模型转换的缺点,可快速实现捕获操作后联合体系统受扰运动的镇定.系统数值仿真结果,验证了上述避撞从顺控制策略的正确性.
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