摘要
空间机器人在人造地球卫星的捕获、检测及维修等在轨服务中扮演着越来越重要的角色。空间机器人开展在轨服务的关键是要实现对卫星的有效捕获。针对在轨卫星的捕获问题，本文拟设计一套具有“机-电”分离特点的绳驱空间机器人系统；建立串并联耦合绳驱空间机器人的运动学模型，提出基于卷积的动态加加速度规划算法；建立解析刚度模型，提出绳驱空间机器人在卫星捕获中避免刚性碰撞冲击的变刚度控制方法。 太空中温差大、辐射强、干扰多的极端环境极易损坏空间机器人，然而安装在关节处且需要专门防护的电机等电气设备会增加运动部件的质量和尺寸。因此，本文设计一套具有“机-电”分离特点的绳驱空间机器人系统。“机-电”分离特点中：“机”指机械臂等机械部件包含臂杆、关节等结构，“电”指控制箱等电气部件包含电机、驱动器、控制器等组件。设计基于旋转式快换机构的控制箱，既可以实现快速更换维护功能，又可以放置在高度防护的星体中提高恶劣空间环境下的可靠性。搭建绳驱空间机器人控制系统，为完成运动规划和变刚度控制提供基础。 绳驱空间机器人自由度多，绳索和关节耦合关系复杂，实现灵活且平稳的运动控制十分困难。因此，本文基于其串并联耦合的结构特点建立绳驱空间机器人的运动学模型，建立绳索空间、关节空间和任务空间之间的相互映射关系。进一步地，本文考虑绳索期望位移属于超长位移、长位移、中位移及短位移四种情况，提出基于卷积的动态加加速度算法。所提算法通过动态设置加加速度减少启动及变速时过大加速度对绳驱空间机器人的冲击，确保绳驱空间机器人的平稳运动。 在自由漂浮卫星的捕获过程中，已在轨的6或7自由度空间机械臂往往需要承受巨大的刚性碰撞冲击。可刚可柔的变刚度捕获，可大大减少或避免刚性碰撞冲击。为了完成卫星的变刚度捕获任务，本文首先建立绳驱空间机器人的解析刚度模型，分析影响绳驱空间机器人刚度的主要因素。然后，绘制绳驱空间机器人刚度云图表征整体构型、绳索拉力和刚度的关系。基于影响刚度的主要因素和刚度云图，提出考虑绳驱空间机器人整体构型和绳索拉力的变刚度控制方法。所提出的变刚度控制方法以调整主动和被动控制点优化整体构型为主，以串级PID控制绳索拉力为辅。该方法同时控制绳驱空间机器人的构型和拉力以达到期望刚度，实现绳驱空间机器人的变刚度控制。 本文完成了绳驱空间机器人样机的开发，搭建了绳驱空间机器人实验系统。对运动学模型、运动规划方法、刚度模型和变刚度控制方法进行了实验验证。实验结果证明绳驱空间机器人系统设计的合理性及变刚度控制的有效性。
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