空間站柔性機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接動(dòng)力學(xué)分析

危清清，王耀兵，唐自新，張大偉

1.空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094

空間站柔性機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接動(dòng)力學(xué)分析

危清清1,2,*，王耀兵1,2，唐自新1,2，張大偉1,2

1.空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094

為驗(yàn)證空間站柔性機(jī)械臂系統(tǒng)在有初始位置、姿態(tài)誤差的情況下能否成功完成輔助艙段對(duì)接任務(wù)，文章建立了空間站柔性機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型，模型考慮了對(duì)接機(jī)構(gòu)的接觸碰撞，依據(jù)關(guān)節(jié)精細(xì)動(dòng)力學(xué)模型、力矩控制方法和阻抗控制程序進(jìn)行了空間柔性機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接過(guò)程仿真。仿真結(jié)果表明，當(dāng)關(guān)節(jié)輸出端位置測(cè)量精度為17位時(shí)，依靠阻抗控制的方法，空間柔性機(jī)械臂在主動(dòng)艙存在最大位置誤差150 mm，最大姿態(tài)誤差2.5°的情況下仍能完成對(duì)接；對(duì)接成功后，空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)控制力迅速下降，仍然能較好地保持構(gòu)型，不會(huì)影響對(duì)接艙段的安全。

空間機(jī)械臂；輔助對(duì)接；關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)；力矩控制；阻抗控制

20世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)和俄羅斯(前蘇聯(lián))進(jìn)行過(guò)多次空間對(duì)接活動(dòng)[1-4]，在未來(lái)中國(guó)空間站建設(shè)中，空間對(duì)接也是必不可少的[5]。空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接是指當(dāng)主動(dòng)(追蹤)艙段與被動(dòng)(目標(biāo))艙段接近時(shí)，安裝在被動(dòng)艙上的空間機(jī)械臂抓著主動(dòng)艙運(yùn)動(dòng)，使主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)向被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)的對(duì)接口接近，并提供動(dòng)力來(lái)克服對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲過(guò)程中的阻力，依靠安裝在主、被動(dòng)艙上的對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩艙對(duì)接。就異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)而言，對(duì)接過(guò)程為：主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)“捕獲環(huán)+導(dǎo)向瓣”的伸出→主、被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)的捕獲→校正→拉緊→主、被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接框剛性密封鎖緊[6]。

針對(duì)導(dǎo)向瓣內(nèi)翻型異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)，加拿大SPAR公司研制的航天飛機(jī)遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)[5](Shuttle Remote Manipulator System, SRMS)執(zhí)行了兩次發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣對(duì)接任務(wù)[6-9]，一次為和平號(hào)空間站與航天飛機(jī)對(duì)接的STS-74任務(wù)；另一次為曙光號(hào)多功能艙與團(tuán)結(jié)號(hào)節(jié)點(diǎn)艙對(duì)接的STS-88任務(wù)。SRMS抓取主動(dòng)艙，并將其運(yùn)送到被動(dòng)艙對(duì)接機(jī)構(gòu)的捕獲環(huán)前。當(dāng)兩個(gè)捕獲環(huán)接觸后，接觸傳感器給出接觸信號(hào)，此時(shí)機(jī)械臂轉(zhuǎn)為limp模式(即機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)處于解鎖且不控制狀態(tài))，主動(dòng)艙發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣沿軸向推進(jìn)，完成對(duì)接。此對(duì)接方法依靠主動(dòng)艙的噴氣推進(jìn)提供對(duì)接所需動(dòng)力，故稱之為發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣對(duì)接。此方法過(guò)程簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，有成功應(yīng)用的先例，一般適用于空間站軸向?qū)?，?dāng)側(cè)向?qū)訒r(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣方案會(huì)給空間站姿態(tài)帶來(lái)很大的擾動(dòng)，甚至?xí)?lái)空間站姿態(tài)失控的危險(xiǎn)。

與發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣對(duì)接不同，空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接是依靠空間機(jī)械臂提供對(duì)接所需動(dòng)力以克服對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲過(guò)程中的阻力[6]。空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接具有主動(dòng)艙與被動(dòng)艙之間的沖擊小、對(duì)空間站姿態(tài)影響小、安全性高、適用于各個(gè)方向?qū)拥葍?yōu)點(diǎn)，是將來(lái)艙段對(duì)接的趨勢(shì)。然而，利用空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接目前國(guó)外還沒(méi)有應(yīng)用先例。

空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接時(shí)，缺乏有效的傳感器支持，不能直接測(cè)量主、被動(dòng)捕獲環(huán)之間的作用力；同時(shí)，測(cè)量、控制等誤差的存在使得空間機(jī)械臂并不能完全按照規(guī)劃軌跡運(yùn)動(dòng)。影響空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接的技術(shù)難點(diǎn)在于：1)空間機(jī)械臂在沒(méi)有力傳感器的情況下，能否準(zhǔn)確感知外力并作出應(yīng)對(duì)；2)空間機(jī)械臂輔助對(duì)接時(shí)能否提供足夠動(dòng)力以完成對(duì)接，并保證對(duì)接過(guò)程中捕獲環(huán)之間的碰撞力不能過(guò)大；3)空間機(jī)械臂在輔助對(duì)接過(guò)程中能有效地控制自身構(gòu)型，不會(huì)影響空間站的安全。

文獻(xiàn)[6]詳細(xì)論證了利用阻抗控制方法可在沒(méi)有力傳感器的情況下，來(lái)感知主動(dòng)捕獲環(huán)受到的外力，本文在此基礎(chǔ)上，建立空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)模型，利用阻抗控制方法與基于關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)變形的力矩測(cè)量方法對(duì)空間機(jī)械臂輔助對(duì)接過(guò)程進(jìn)行控制，以期解決以上3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，指導(dǎo)空間機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。

1 空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)建模

為了給控制系統(tǒng)提供控制對(duì)象，本文利用ADAMS多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模軟件建立機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型(如圖1所示)。機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型包括主動(dòng)艙、被動(dòng)艙、對(duì)接機(jī)構(gòu)和空間機(jī)械臂系統(tǒng)組成，其中主動(dòng)艙質(zhì)量約25 t，被動(dòng)艙質(zhì)量約50 t，二者在同一量級(jí)，故將整個(gè)對(duì)接過(guò)程設(shè)置為浮動(dòng)基座，并忽略了重力的影響?？臻g機(jī)械臂是開(kāi)環(huán)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，一共由7個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，與核心艙相連的是機(jī)械臂肩部3個(gè)關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)1、2、3)，與實(shí)驗(yàn)艙相連的是腕部3個(gè)關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)5、6、7)，腕部與肩部相對(duì)于肘關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)4)對(duì)稱。本文在ADAMS多體動(dòng)力學(xué)模型中考慮了柔性臂桿、柔性關(guān)節(jié)殼體和對(duì)接機(jī)構(gòu)等的因素的影響，其中，機(jī)械臂初始構(gòu)型、機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接系統(tǒng)的組成請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)[6]。

圖1 機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接ADAMS模型Fig.1 ADAMS model of space manipulator assisted docking of space station

定義坐標(biāo)系Fexeyeze固連在主動(dòng)捕獲環(huán)上，xe軸沿主動(dòng)艙及主動(dòng)捕獲環(huán)的軸線指向被動(dòng)捕獲環(huán)、ye軸與ze軸均垂直于xe軸，且符合右手法則；空間機(jī)械臂抓著對(duì)接艙段沿著對(duì)接方向(xe向)前進(jìn)，對(duì)接機(jī)構(gòu)主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)在導(dǎo)向瓣的導(dǎo)向作用下相互靠近(如圖2所示)，捕獲鎖捕獲并鎖緊時(shí)捕獲成功。

機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接時(shí)，出于安全性考慮，艙段間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低(約為0.015m/s)，接近于靜態(tài)過(guò)程，因此對(duì)接機(jī)構(gòu)導(dǎo)向瓣在相對(duì)滑入的過(guò)程中，需要機(jī)械臂提供動(dòng)力以克服對(duì)接機(jī)構(gòu)間的接觸力以及捕獲鎖的觸發(fā)力。

圖2 主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)捕獲Fig.2 Capture of docking mechanism

1.1 空間機(jī)械臂柔性臂桿動(dòng)力學(xué)建模

根據(jù)SRMS臂桿柔性的處理經(jīng)驗(yàn)與機(jī)械臂實(shí)際受力特點(diǎn)，本文將柔性臂桿當(dāng)作Euler-Bernoulli梁處理，采用假設(shè)模態(tài)法描述臂桿柔性變形與臂桿運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，臂桿變形量為

(1)

式中：φi(x)為第i階模態(tài)振型函數(shù)；qi(t)為第i階模態(tài)坐標(biāo)。

采用拉格朗日法建立機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型為

1.2 空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)殼體動(dòng)力學(xué)建模

空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)由于減重的需要，殼體設(shè)計(jì)得比較薄，關(guān)節(jié)各個(gè)方向的剛度在一個(gè)量級(jí)，因此，殼體拉、壓、彎、扭的剛度都需考慮。

本文利用ADAMS中Bush連接來(lái)模擬關(guān)節(jié)殼體除轉(zhuǎn)動(dòng)方向的剛度(如圖3所示)。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的扭轉(zhuǎn)剛度將在下一節(jié)中考慮。

圖3 關(guān)節(jié)殼體柔性處理Fig.3 Modeling of flexible joint

關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)子與關(guān)節(jié)殼體之間的作用力為

(3)

式中：剛度陣Ks、阻尼陣Bs為6×6的對(duì)角陣；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)子與關(guān)節(jié)殼體之間的變形向量Δx為6×1向量。

1.3 對(duì)接機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模

(1)接觸區(qū)域判斷

根據(jù)導(dǎo)向瓣內(nèi)翻型異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，將對(duì)接機(jī)構(gòu)可能發(fā)生接觸的區(qū)域仔細(xì)劃分[10](如圖4所示)。

圖4中g(shù)1、g2、g3、g4、g5、g6，q1、q2、q3、q4、q5和q6為導(dǎo)向瓣側(cè)沿；y1、y2、y3、y4、y5和y6為導(dǎo)線瓣殼體側(cè)面；z1、z2、z3、z4、z5和z6為捕獲環(huán)作用弧段。則主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)可能的接觸情況分為12種(見(jiàn)表1)。表1中第一行是導(dǎo)向瓣側(cè)沿之間的接觸，第二行是導(dǎo)向瓣側(cè)面與捕獲環(huán)作用弧段的接觸。

圖4 導(dǎo)向瓣內(nèi)翻型異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)可能的接觸碰撞區(qū)域Fig.4 Contacting areas of the docking mechanism

對(duì)接瓣g1-q3g2-q2g3-q1g4-q6g5-q5g6-q4對(duì)接框y1-z3y2-z2y3-z6y4-z4y5-z1y6-z3

(2)接觸力模型

假設(shè)主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)接觸點(diǎn)是小變形[4,5]，且滿足線彈性變形，引入接觸剛度kc和接觸變形量δc，則接觸正壓力Fc大小為

(4)

式中：c為阻尼系數(shù)，正壓力的方向?yàn)榻佑|作用點(diǎn)公法線方向。

兩接觸點(diǎn)之間的摩擦力：

(5)

式中：μs為靜摩擦系數(shù)；μm為動(dòng)摩擦系數(shù)；vf為臨界速度；v為兩接觸點(diǎn)之間的切向相對(duì)速度。

2 對(duì)接過(guò)程控制系統(tǒng)建模

空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接時(shí)，不僅需要控制機(jī)械臂的軌跡，還需克服對(duì)接機(jī)構(gòu)之間的阻力，控制系統(tǒng)分為系統(tǒng)控制與關(guān)節(jié)控制兩部分。系統(tǒng)控制根據(jù)機(jī)械臂末端實(shí)際位置與規(guī)劃位置之差，解算成力指令，并合理分配至各個(gè)關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)控制根據(jù)系統(tǒng)控制分配的力控制指令，經(jīng)過(guò)控制解算，準(zhǔn)確完成。

2.1 系統(tǒng)控制模型

圖5 系統(tǒng)控制流程Fig.5 System control of space manipulator

設(shè)計(jì)機(jī)械臂系統(tǒng)剛度陣Kd、阻尼陣Bd、質(zhì)量陣Hd即可讓機(jī)械臂在對(duì)接方向表現(xiàn)出較大剛度以克服對(duì)接過(guò)程的阻力，同時(shí)在其他方向表現(xiàn)出較大的柔順性，避免對(duì)接機(jī)構(gòu)卡死或者碰撞力過(guò)大的現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2 關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)與控制模型

文獻(xiàn)[11]針對(duì)空間機(jī)械臂復(fù)雜關(guān)節(jié)建立了關(guān)節(jié)精細(xì)動(dòng)力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上提出了基于關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)變形的關(guān)節(jié)力矩控制模型(如圖6所示)。

圖6 關(guān)節(jié)控制模型Fig.6 Joint control of space manipulator system

3 空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接仿真

3.1 空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接初始條件

由于測(cè)量、控制等的誤差不可避免，空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接時(shí)必然存在著初始誤差。為了節(jié)省篇幅，本文將主動(dòng)艙的初始位置、姿態(tài)誤差取為：沿ye向與ze向各有100mm的位置誤差；xe向、ye向與ze向各1.2°的姿態(tài)誤差，在此典型初始位置、姿態(tài)誤差情況下進(jìn)行仿真。主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)xe向初始距離為220mm。

空間機(jī)械臂采用第2.1節(jié)的阻抗控制策略，阻抗控制參數(shù)的設(shè)定參考文獻(xiàn)[6]，將xe向剛度系數(shù)設(shè)為8 000，阻尼系數(shù)設(shè)為2 000，其他方向所有系數(shù)均取為0。空間機(jī)械臂抓著主動(dòng)艙沿xe向以15mm/s前進(jìn)。關(guān)節(jié)輸出端角度測(cè)量精度為17位。

3.2 空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接仿真與分析

對(duì)接機(jī)構(gòu)主動(dòng)捕獲環(huán)圓心位置、姿態(tài)隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖7與圖8。對(duì)接機(jī)構(gòu)主動(dòng)捕獲環(huán)約在2s時(shí)與被動(dòng)捕獲環(huán)發(fā)生接觸，隨后ye向、ze向的位置誤差與xe向、ye向、ze向的姿態(tài)誤差開(kāi)始慢慢被矯正，第9s時(shí)，空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接成功。在此過(guò)程中，空間機(jī)械臂克服了ye向與ze向各100mm的位置誤差，同時(shí)也克服了xe向、ye向和ze向各0.02rad(1.2°)的姿態(tài)誤差(見(jiàn)圖7、8)。

各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖9。由圖9可知，空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接過(guò)程中，各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度約0.14rad(約8°)。關(guān)節(jié)4與關(guān)節(jié)5是轉(zhuǎn)角最大的兩個(gè)關(guān)節(jié)。對(duì)接成功后各關(guān)節(jié)角度略有變化，這說(shuō)明對(duì)接成功后空間機(jī)械臂仍然能較好地保持構(gòu)型，不會(huì)影響空間站安全。

圖7 主動(dòng)捕獲環(huán)位置隨時(shí)間變化Fig.7 Distance between two parts of the docking mechanism

圖8 主動(dòng)捕獲環(huán)姿態(tài)隨時(shí)間變化Fig.8 Attitude between two parts of the docking mechanism

圖9 各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化Fig.9 Joint angle of space manipulator system

空間機(jī)械臂阻抗控制力及主動(dòng)捕獲環(huán)x向速度隨時(shí)間變化的曲線如圖10、11所示。顯然，空間機(jī)械臂只在xe向(對(duì)接方向)有控制力，其他方向的力為0。對(duì)比圖10與圖11可知，前2.5s空間機(jī)械臂的控制力主要用于對(duì)接艙段的加速；從2s到5.2s，對(duì)接機(jī)構(gòu)主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)發(fā)生接觸，為了克服被動(dòng)捕獲環(huán)給主動(dòng)捕獲環(huán)的阻力，控制力繼續(xù)增加，而此時(shí)主動(dòng)捕獲環(huán)的速度發(fā)生較大的振動(dòng)。第9s對(duì)接成功后，控制力立刻下降，主動(dòng)捕獲環(huán)仍然有較大的速度波動(dòng)，此時(shí)主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)發(fā)生較大的碰撞，控制力與主動(dòng)捕獲環(huán)速度均表現(xiàn)出明顯的周期性，周期為2s。

機(jī)械臂阻抗控制程序得到的關(guān)節(jié)控制力矩，經(jīng)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型后輸出給ADAMS動(dòng)力學(xué)模型，各關(guān)節(jié)輸出力矩如圖12所示。

由圖12可知，關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)4與關(guān)節(jié)6輸出力矩最大，關(guān)節(jié)輸出力矩的最大值為1 102N·m。仿真表明，此最大力矩與空間機(jī)械臂沿xe向的規(guī)劃速度相關(guān)。

主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)之間的碰撞力(如圖13所示)也進(jìn)一步證明了主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)約從2s開(kāi)始發(fā)生碰撞，第9s對(duì)接成功后，碰撞力急劇變大，這是由于主動(dòng)艙在捕獲鎖捕獲成功后以約0.015m/s的速度與被動(dòng)艙撞擊，主動(dòng)艙與被動(dòng)艙質(zhì)量都比較大，導(dǎo)致碰撞力急劇變大，后續(xù)逐漸衰減。主動(dòng)艙與被動(dòng)艙的最大碰撞力為6 590N。本文選取ye向不同的位置誤差與姿態(tài)誤差進(jìn)行進(jìn)一步仿真(見(jiàn)表2與表3)，按照上文中的控制方法和控制參數(shù)，ye向最大位置誤差可達(dá)150mm，最大姿態(tài)誤差可達(dá)2.5°。最大關(guān)節(jié)控制力矩約為1 100N·m，最大碰撞力約4 300N，對(duì)接均在9s左右時(shí)對(duì)接成功。這說(shuō)明該控制方法能克服較大的誤差。

圖10 空間機(jī)械臂xe向阻抗控制力隨時(shí)間變化Fig.10 Impedance force of xe direction of space manipulator system

圖11 主動(dòng)捕獲環(huán)xe向速度隨時(shí)間變化Fig.11 Speed of xe direction of the docking mechanism

圖12 各關(guān)節(jié)輸出力矩隨時(shí)間變化Fig.12 Joint torque of space manipulator system

圖13 主動(dòng)捕獲環(huán)與被動(dòng)捕獲環(huán)的碰撞力隨時(shí)間變化Fig.13 Contacting force between the two parts of the docking mechanism

位置誤差/mm關(guān)節(jié)最大輸出力矩/(N·m)關(guān)節(jié)1關(guān)節(jié)2關(guān)節(jié)4關(guān)節(jié)6最大碰撞力/N090649610947494214308574831024709250050816464976677220070778442924640444010073945592864536161507494549306452136

表3 垂直于對(duì)接艙軸線向不同姿態(tài)偏差的對(duì)接情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ADAMS建立了空間柔性機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接模型，結(jié)合文獻(xiàn)[11]的關(guān)節(jié)精細(xì)動(dòng)力學(xué)模型及力矩控制方法與文獻(xiàn)[6]的阻抗控制方法，針對(duì)導(dǎo)向瓣內(nèi)翻異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)，對(duì)空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真表明：

1)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度測(cè)量精度為17位時(shí)，空間機(jī)械臂能克服主動(dòng)艙的初始位置、姿態(tài)誤差完成對(duì)接任務(wù)。對(duì)接成功后空間機(jī)械臂仍然能較好地保持構(gòu)型，不會(huì)影響對(duì)接艙段的安全；

2)空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接時(shí)，在對(duì)接方向能克服較大的阻力并在其他方向表現(xiàn)出隨動(dòng)的效果，對(duì)接成功后，空間機(jī)械臂系統(tǒng)控制力立刻下降，體現(xiàn)阻抗控制方法的有效性；

3)空間機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接過(guò)程中，肘關(guān)節(jié)需要提供的關(guān)節(jié)力矩最大，是機(jī)械臂設(shè)計(jì)、防護(hù)的重點(diǎn)；

4)依靠空間機(jī)械臂阻抗控制方法，主動(dòng)艙垂直于軸線向可允許的最大位置誤差可達(dá)150mm，最大姿態(tài)誤差可達(dá)2.5°。對(duì)接過(guò)程中，最大關(guān)節(jié)控制力矩為1 094N·m，最大碰撞力為4 787N。

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(編輯：車曉玲)

Analysis on flexible space manipulator system assisted docking of space station

WEI Qingqing1,2,*, WANG Yaobing1,2, TANG Zixin1,2, ZHANG Dawei1,2

1.BeijingKeyLaboratoryofIntelligentSpaceRoboticSystemsTechnologyandApplications，Beijing100094，China2.BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering，Beijing100094，China

Position errors and angle errors exist inevitably in space manipulator system assisted docking of spacecraft. A dynamic and control model concerned the contaction between the docking system was set up to simulate the space manipulator system assisted docking of spacecraft. The impedance control system associated with the detailed joint dynamic model, joint torque control system was built. The results show that the space manipulator system could overcome the initial error of the spacecraft, and finish the job of space assisted docking. The control force turned down immediately after the spacecraft was docked. Also, the space manipulator system could hold the position and shape.

space manipulator；assisted docking；joint dynamics；torque control；impedance control

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0036

2016-01-11；

2016-04-11；錄用日期：2016-05-11；

時(shí)間：2016-06-20 13:41:41

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160620.1341.004.html

危清清，王耀兵，唐自新,等.空間站柔性機(jī)械臂輔助艙段對(duì)接動(dòng)力學(xué)分析[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù), 2016，36(3)：

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V423.7;TP241.3

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通訊作者：危清清(1985-)，男，博士，工程師，weiqingqing51@sina.com，主要研究方向?yàn)楹教炱鹘Y(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)