漂浮基空间机械臂动力学问题研究进展

范学慧 李爱民

摘 要：在自由漂浮状态中，空间机械臂的载体与机械臂之间存在一定的耦合行为。其本身与地面机械臂相比，在运动学、运动学分析等方面相差非常大，地面机械相对来说就比较简单。对于空间机械臂的研究重点是建立在精确地动力学模型和高效的控制策略的基础之上。本文详细的阐述了空间机械臂动力学建模的方法以及精细动力；总结了姿态运动规划、非完整机械臂路径规划以及避奇异位形的机械路径规划的运动方法等运动规划方式；阐述了空间机械臂在捕获目标过程中的动力学模型和控制策略研究。

关键词：空间机械臂简介；动力学模型研究；运动规划研究；目标碰撞策略研究

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

1 空间机械臂简介

空间机械臂作为一种重要的在轨服务工具，在航天航空研究上具有强大的实用性和宽广的应用空间，能够在太空之中完成释放、回收卫星；在轨监控太空以及在空间站进行在轨装配、维修等各种艰巨任务，极大减少了航天人员的工作量以及在轨维修等操作的安全性。自从20世纪80年代以来，世界各国相继掌握了空间机械臂技术，比较突出的有加拿大和NASA联合研制的移动服务系统（MSS）、加拿大独立研制的Canadarm以及Canadarm2、欧洲机械臂（ERA）、日本工程试验卫星-VII（ETS-VII）等。我国也在空间机械臂的研究和演示方面进行了大量的研究探索。

自由漂浮空间机械臂由机械臂载体、载体上的机械臂以及载体末端的行动执行器。机械臂的载体不受系统主动控制，位置跟姿态在空间中处于自由漂浮状态，能够有效的降低了空间燃料的使用，提高了空间卫星的使用期限，使空间机械臂在航空航天领域受到了广泛关注。但是当空间机械臂处于微重力的环境下，自由漂浮空间机械臂与载体在动力学耦合的作用下，运动状态中的空间机械臂会对载体的位置和姿势产生一定的影响，从而改变载体的姿势和位置，反过来进一步改变机械臂的位置和姿态。通过实验表明，空间机械臂是具有时间变化、多输出、多输入、强耦合等特点的非线性系统。但由于零件构造的质量、质心数据以及惯性力矩、载体燃料的损耗以及外部信号的干扰等等一些不确定的系统参数，导致了在实际实验中并不能准确的获取精确的、完美的动力学建模数据。然而在实际生活中，实现自由漂浮空间机械臂的动力模型数据的准确是整个及空间机械臂研究的重中之重。

2 空间机械臂动力学模型研究

空间机械臂分析、控制以及设计理念都是建立在拥有精确地实验数据的基础上。但是当空间机械臂作业过程处于一种微重力的环境下，迫使整个系统处于一种自由漂浮的状态，加上其特有的强耦合性、非完整约束性、奇异性，导致了动力学建模比较困难。另一方面由于燃料消耗的因素，空间机械臂的刚度需要比地面基座的机械臂小的多，放大了整个系统的柔性特点，提高了空间机械臂动力建模的难度。

其实大量的国内外的科学家已经对机械臂的动力学建模已经有较为深入的研究与探索，大部分是依靠地面固定机械臂为模板，采用牛顿-欧拉矢量力学法、兼具矢量力学法、Lagrange方程分析力学法以及分析力学法的Kane方法等一系列基本的建模方式，然后一点扩面放大到空间机械臂系统之中，空间机械臂系统相对应的是虚拟机械臂（virtual manipulator，VM ）法和等价机械臂（dynamically equivalent，DEM） 法。

空间机械臂相对于地面机械臂来说具有质量小、柔性大的特点，但也存在着结构尺寸大、负荷比较大的缺点。空间机械臂与电极之间也不完全是刚性连接，为了灵活起见，即使是关节之间也有一定的柔和性。此外，机械臂关节还存在摩擦、间隙、阻力等一些不确定因素，都会直接或间接影响所测量出的机械臂的动力学数据，提高了机械臂建模的难度。

3 空间机械臂的运动研究

由于空间机械臂一般都是在微重力的环境下作业，其强耦合性的特点能够引起载体基座与机械臂位置和姿态之间的相互干扰，从而影响机械臂末端运动的轨迹，非完整约束性、奇异性的特点导致了整个系统在某些地方无法实现一些特定的运动，因此在实验中要求对某些因素进行规划从而使目标达到实现期望轨迹的运动轨迹。空间机械臂与地面机械臂最重要的区别在于对载体是不固定，机械臂的运动能够引起载体的运动，反过来载体的运动又能影响机械臂的运动，导致机械臂的工作空间减少。

4 空间机械臂捕获目标过程中的碰撞策略研究

在实际的试验之中，机械臂在完成空间操作任务的作业过程中，机械臂末端能够与被捕目标发生接触，从而发生碰撞冲击，改变了角动量的数值，使整个操作系统发生倾斜、翻转、漂移甚至实验失败。现阶段来说，主要是研究地面基座机械臂与目标碰撞问题的研究，其主要成果是关于碰撞时接触点发生的变化对整个运动轨迹产生的影响。由于自由漂浮空间机械臂具有强耦合性、非完整约束性、奇异性等一系列复杂的问题，现价段的研究对于这个方面研究也比较少，但是相对于地面基座机械臂来說，经过控制规划之后应该可以适用于空间机械臂的研究。

5 结论与展望

本文首先介绍了空间机械臂、空间机械臂动力学的建模、机械臂运动的轨迹以及运动过程中发生的碰撞问题，人后总结了一些常见的运动规划方法，阐述了空间机械臂在捕获目标任务，所产生的运动轨迹和控制策略研究下的动力学模型。虽然我国在各个阶段都有不小的研究与进步，但仍在一下几个方面需要进一步努力。

（1）空间机械臂关机部位的精细化。

（2）空间机械臂捕获目标作业中碰撞冲击模型的准确度。

（3）提高关节驱动力拒的局限性。

（4）对载体弹性控制策略方面进行有效研究。

（5）在容错控制策略的条件下，提高系统的稳定性。

参考文献：

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作者简介：范学慧（1980-），女，吉林长春人，研究生，讲师，研究方向：电气自动化、人工智能。