漂浮基空間機械臂動力學問題研究進展

范學慧 李愛民

摘 要：在自由漂浮狀態(tài)中，空間機械臂的載體與機械臂之間存在一定的耦合行為。其本身與地面機械臂相比，在運動學、運動學分析等方面相差非常大，地面機械相對來說就比較簡單。對于空間機械臂的研究重點是建立在精確地動力學模型和高效的控制策略的基礎(chǔ)之上。本文詳細的闡述了空間機械臂動力學建模的方法以及精細動力；總結(jié)了姿態(tài)運動規(guī)劃、非完整機械臂路徑規(guī)劃以及避奇異位形的機械路徑規(guī)劃的運動方法等運動規(guī)劃方式；闡述了空間機械臂在捕獲目標過程中的動力學模型和控制策略研究。

關(guān)鍵詞：空間機械臂簡介；動力學模型研究；運動規(guī)劃研究；目標碰撞策略研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.213

1 空間機械臂簡介

空間機械臂作為一種重要的在軌服務(wù)工具，在航天航空研究上具有強大的實用性和寬廣的應(yīng)用空間，能夠在太空之中完成釋放、回收衛(wèi)星；在軌監(jiān)控太空以及在空間站進行在軌裝配、維修等各種艱巨任務(wù)，極大減少了航天人員的工作量以及在軌維修等操作的安全性。自從20世紀80年代以來，世界各國相繼掌握了空間機械臂技術(shù)，比較突出的有加拿大和NASA聯(lián)合研制的移動服務(wù)系統(tǒng)（MSS）、加拿大獨立研制的Canadarm以及Canadarm2、歐洲機械臂（ERA）、日本工程試驗衛(wèi)星-VII（ETS-VII）等。我國也在空間機械臂的研究和演示方面進行了大量的研究探索。

自由漂浮空間機械臂由機械臂載體、載體上的機械臂以及載體末端的行動執(zhí)行器。機械臂的載體不受系統(tǒng)主動控制，位置跟姿態(tài)在空間中處于自由漂浮狀態(tài)，能夠有效的降低了空間燃料的使用，提高了空間衛(wèi)星的使用期限，使空間機械臂在航空航天領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。但是當空間機械臂處于微重力的環(huán)境下，自由漂浮空間機械臂與載體在動力學耦合的作用下，運動狀態(tài)中的空間機械臂會對載體的位置和姿勢產(chǎn)生一定的影響，從而改變載體的姿勢和位置，反過來進一步改變機械臂的位置和姿態(tài)。通過實驗表明，空間機械臂是具有時間變化、多輸出、多輸入、強耦合等特點的非線性系統(tǒng)。但由于零件構(gòu)造的質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)據(jù)以及慣性力矩、載體燃料的損耗以及外部信號的干擾等等一些不確定的系統(tǒng)參數(shù)，導致了在實際實驗中并不能準確的獲取精確的、完美的動力學建模數(shù)據(jù)。然而在實際生活中，實現(xiàn)自由漂浮空間機械臂的動力模型數(shù)據(jù)的準確是整個及空間機械臂研究的重中之重。

2 空間機械臂動力學模型研究

空間機械臂分析、控制以及設(shè)計理念都是建立在擁有精確地實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。但是當空間機械臂作業(yè)過程處于一種微重力的環(huán)境下，迫使整個系統(tǒng)處于一種自由漂浮的狀態(tài)，加上其特有的強耦合性、非完整約束性、奇異性，導致了動力學建模比較困難。另一方面由于燃料消耗的因素，空間機械臂的剛度需要比地面基座的機械臂小的多，放大了整個系統(tǒng)的柔性特點，提高了空間機械臂動力建模的難度。

其實大量的國內(nèi)外的科學家已經(jīng)對機械臂的動力學建模已經(jīng)有較為深入的研究與探索，大部分是依靠地面固定機械臂為模板，采用牛頓-歐拉矢量力學法、兼具矢量力學法、Lagrange方程分析力學法以及分析力學法的Kane方法等一系列基本的建模方式，然后一點擴面放大到空間機械臂系統(tǒng)之中，空間機械臂系統(tǒng)相對應(yīng)的是虛擬機械臂（virtual manipulator，VM ）法和等價機械臂（dynamically equivalent，DEM） 法。

空間機械臂相對于地面機械臂來說具有質(zhì)量小、柔性大的特點，但也存在著結(jié)構(gòu)尺寸大、負荷比較大的缺點?？臻g機械臂與電極之間也不完全是剛性連接，為了靈活起見，即使是關(guān)節(jié)之間也有一定的柔和性。此外，機械臂關(guān)節(jié)還存在摩擦、間隙、阻力等一些不確定因素，都會直接或間接影響所測量出的機械臂的動力學數(shù)據(jù)，提高了機械臂建模的難度。

3 空間機械臂的運動研究

由于空間機械臂一般都是在微重力的環(huán)境下作業(yè)，其強耦合性的特點能夠引起載體基座與機械臂位置和姿態(tài)之間的相互干擾，從而影響機械臂末端運動的軌跡，非完整約束性、奇異性的特點導致了整個系統(tǒng)在某些地方無法實現(xiàn)一些特定的運動，因此在實驗中要求對某些因素進行規(guī)劃從而使目標達到實現(xiàn)期望軌跡的運動軌跡?？臻g機械臂與地面機械臂最重要的區(qū)別在于對載體是不固定，機械臂的運動能夠引起載體的運動，反過來載體的運動又能影響機械臂的運動，導致機械臂的工作空間減少。

4 空間機械臂捕獲目標過程中的碰撞策略研究

在實際的試驗之中，機械臂在完成空間操作任務(wù)的作業(yè)過程中，機械臂末端能夠與被捕目標發(fā)生接觸，從而發(fā)生碰撞沖擊，改變了角動量的數(shù)值，使整個操作系統(tǒng)發(fā)生傾斜、翻轉(zhuǎn)、漂移甚至實驗失敗?，F(xiàn)階段來說，主要是研究地面基座機械臂與目標碰撞問題的研究，其主要成果是關(guān)于碰撞時接觸點發(fā)生的變化對整個運動軌跡產(chǎn)生的影響。由于自由漂浮空間機械臂具有強耦合性、非完整約束性、奇異性等一系列復(fù)雜的問題，現(xiàn)價段的研究對于這個方面研究也比較少，但是相對于地面基座機械臂來說，經(jīng)過控制規(guī)劃之后應(yīng)該可以適用于空間機械臂的研究。

5 結(jié)論與展望

本文首先介紹了空間機械臂、空間機械臂動力學的建模、機械臂運動的軌跡以及運動過程中發(fā)生的碰撞問題，人后總結(jié)了一些常見的運動規(guī)劃方法，闡述了空間機械臂在捕獲目標任務(wù)，所產(chǎn)生的運動軌跡和控制策略研究下的動力學模型。雖然我國在各個階段都有不小的研究與進步，但仍在一下幾個方面需要進一步努力。

（1）空間機械臂關(guān)機部位的精細化。

（2）空間機械臂捕獲目標作業(yè)中碰撞沖擊模型的準確度。

（3）提高關(guān)節(jié)驅(qū)動力拒的局限性。

（4）對載體彈性控制策略方面進行有效研究。

（5）在容錯控制策略的條件下，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]閆鑫.基于滑模的航天器執(zhí)行機構(gòu)故障診斷與容錯控制研究[D].哈爾濱工程大學，2012.

[2]周衛(wèi)東.基于CAN總線通訊的機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計[J].南京工程學院學報（自然科學版），2007（04）：42-46.

[3]黃冉，周前祥，王一豪.基于電流變液的機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].機械設(shè)計與制造，2012（12）：4-6.

[4]李輝，鄧遵義.基于CAN總線分布式機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011（02）：155-157.

作者簡介：范學慧（1980-），女，吉林長春人，研究生，講師，研究方向：電氣自動化、人工智能。