空间机械臂绳索式末端执行器柔顺抓捕策略研究.pdf

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1、第２２卷第５期载人航天Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＯｃｔ．２０１６空间机械臂绳索式末端执行器柔顺抓捕策略研究１２１１潘冬，李娜，张晓东，梁常春（１．北京空间飞行器总体设计部空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京１０００９４；２．北京卫星制造厂，北京１００１９４）摘要：针对机械臂抓捕非合作目标过程碰撞冲击大易造成基体偏转或目标逃逸的问题，提出并实现了快速接近⁃慢速接触⁃速度跟踪（ＦＡ⁃ＳＣ⁃ＶＴ）的末端捕获策略，并基于建立的系统全数字仿真模型对捕获策略进行了仿真验证，结果表明Ｆ

2、Ａ⁃ＳＣ⁃ＶＴ捕获策略与匀速捕获策略相比，可大幅减小机械臂捕获目标过程末端产生的冲击力，并可有效解决目标捕获过程中的逃逸问题。关键词：末端执行器；非合作目标；捕获策略；柔顺捕获中图分类号：Ｖ４２３?７文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１６）０５⁃０５６４⁃０６ＳｔｕｄｙｏｎＦｌｅｘｉｂｌｅＣａｐｔｕｒｅＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＲｏｐｅＥｎｄＥｆｆｅｃｔｏｒｉｎＳｐａｃｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ１２１１ＰＡＮＤｏｎｇ，ＬＩＮａ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏｄｏｎｇ，ＬＩＡＮＧＣｈａｎｇｃｈｕｎ（１．ＴｈｅＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏ

3、ｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＳｐａｃｅＲｏｂｏｔｉｃＳｙｓｔｅｍｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅｃｒａｆｔＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＳｐａｃｅｃｒａｆｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＦａｃｔｏｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｔａｒｇｅｔｃａｐｔｕｒｉｎｇｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｔｈｅｏｎ⁃ｏｒｂｉｔｓｅｒｖｉｃｉｎｇｓｕｃｈａｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｒｕｃ

4、ｔｕｒｅａｓｓｅｍｂｌｙ，ｓａｔｅｌｌｉｔｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅａｎｄｒｅｆｕｅｌｉｎｇ．Ｔｈｅｅｘｃｅｓｓｉｖｅｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅｗｈｅｎｃａｐｔｕｒｉｎｇｔｈｅｎｏｎ⁃ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｔａｒｇｅｔｂｙｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｍａｙｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂａｓｅａｎｄｅｖｅｎｌｅａｄｔｏｔｈｅｔａｒｇｅｔｅｓｃａｐｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅｆａｓｔａｐｐｒｏａｃｈ⁃ｓｌｏｗｃｏｎｔａｃｔ⁃ｖｅｌｏｃｉｔｙｔｒａｃｋｉｎｇ（ＦＡ⁃ＳＣ⁃ＶＴ）ｅｎｄｃａｐｔｕｒｅ

5、ｓｔｒａｔｅｇｙｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄｆｏｒｔｈｅｔａｒｇｅｔｃａｐｔｕｒｉｎｇ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃａｐｔｕｒｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎ⁃ａｌｕｎｉｆｏｒｍｃａｐｔｕｒｅｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｅＦＡ⁃ＳＣ⁃ＶＴｃａｐｔｕｒｅｓｔｒａｔｅｇｙｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅｇｅｎｅｒａｔｅｄａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｉｇ

6、ｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｎｄｓｏｌｖｅｄｔｈｅｅｓｃａｐｅｐｒｏｂｌｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｆｏｒｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｔａｒｇｅｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｄｅｆｆｅｃｔｏｒ；ｎｏｎ⁃ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｔａｒｇｅｔ；ｃａｐｔｕｒｅｓｔｒａｔｅｇｙ；ｆｌｅｘｉｂｌｅｃａｐｔｕｒｅ冲击不仅有可能造成机械臂损坏以及基体位姿的１引言变化，还可能造成目标逃逸导致抓捕失败。在轨服务技术是航天技术领域当前的一个研针对此问题，学者们对于机械臂抓捕目标的［２⁃３］究热点，以空间精细操作为核心的空间智能机器捕获策略和控制进行了众多研究，Ｙｏｓｈ

7、ｉｄａ等人技术的飞速发展为航天器在轨维修、模块更换、提出姿态无扰零空间、自适应阻抗控制等方法，减燃料加注、碎片清理等提供了契机，而对目标载荷小捕获冲击以及对基体姿态的影响，并在日本［４］的成功抓捕则是进行操作的关键。ＥＴＳ⁃ＶＩＩ卫星上进行了验证；Ｗ．Ｌ．Ｘｕ讨论了柔大型空间机械臂的臂杆及关节柔性导致末端性机械臂预冲击构型对于减小抓取过程碰撞冲击［５］定位精度低、跟踪速度稳定性差，机械臂进行目标的影响；Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ针对在轨服务航天器Ｈｙｐｅｒ⁃［１］的捕获操作时，必然在机械臂末端引起冲击。ＯＳＶ的抓取策略进行研究，分析了整

8、个飞行器的收稿日期：２０１５⁃１１⁃０６；修回日期：２０１６⁃０８⁃１０基金项目：国家自然科学基金（６１５７３０５８）作者简介：潘冬（１９８４－），男，博士，工程师，研究方向为空间智能机械计算与控制。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｐａｎ＿ｄｏｎｇ５０１＠１６３．ｃｏｍ第５期潘冬