空间机械臂地面微重力混合模拟方法研究_叶平

基于状态反馈法的空间机械臂地面微重力模拟装置滑模变结构控制姚欣;张文辉;蒋黎红;王超;戚焜【摘要】针对做复杂运动的空间机械臂地面微重力试验环境模拟困难的问题,设计了一种基于滑模变结构控制的空间机械臂地面微重力模拟装置.该系统采用剪式升降机构、滚珠丝杠、压力传感器、伺服电机和气体轴承的组合方式来实现三维空间随动运动,通过支持力抵消空间机械臂重力来实现无重力下的性能测试.利用接触力模型建立系统动力学方程,考虑到空间机械臂非线性运动及模拟装置自身摩擦干扰,设计基于状态反馈的滑模变结构控制器,保证了控制系统鲁棒性.仿真表明,所设计的控制装置能够达到较高精度且使用方便,对于空间机械臂三维空间微重力模拟具有重要的应用价值.【期刊名称】《丽水学院学报》【年(卷),期】2018(040)005【总页数】4页(P60-63)【关键词】空间机械臂;三维微重力;地面模拟系统;滑模变结构控制【作者】姚欣;张文辉;蒋黎红;王超;戚焜【作者单位】丽水学院工学院,浙江丽水323000;丽水学院工学院,浙江丽水323000;丽水学院工学院,浙江丽水323000;丽水学院工学院,浙江丽水323000;丽水学院工学院,浙江丽水323000【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言随着空间技术的快速发展，空间机械臂在空间站建设、飞行器维护等方面起着越来越重要的作用。

考虑到空间机械臂在太空维护的难度极大，一般要在运载前对其运动性能进行检测，在地面制造微重力模拟环境使其能够充分进行性能测试势在必行[1-2]。

当前，空间微重力地面模拟方法主要有下面几种：自由落体法、悬吊法、水浮法和气浮法。

自由落体法实验时间极短，以秒级计算。

悬吊法存在摩擦干扰，精度不高。

气浮法只能在二维平面模拟目标运动，无法实现三维空间模拟[2-7]。

针对做复杂运动的空间机械臂地面微重力试验环境模拟困难的问题，设计了一种基于滑模变结构控制的空间机械臂地面微重力模拟装置。

漂浮基空间机械臂的三维微重力环境模拟方法探讨张文辉【摘要】首先针对空间机械臂微重力模拟方法的国际现状,分别从运动轨迹、模拟精度、建造周期及经济性等方面进行了详细综述.考虑到空间机械臂的三维运动特征,对三维空间微重力模拟这一难点问题进行了论述,进而提出了剪式三维气浮微重力环境模拟装置的方案,该方案具有较大伸缩比,结构紧凑,通过利用气浮法的优点解决了水平随动问题,集成力反馈伺服控制系统解决了竖直方向随动问题,该方案为做复杂运动的空间机械臂提供了灵活的微重力模拟环境.【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(015)002【总页数】5页(P86-90)【关键词】空间机械臂;三维微重力;地面模拟系统;气悬浮【作者】张文辉【作者单位】丽水学院工学院,浙江丽水,323000;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TP273近年来我国空间技术获得了快速发展，不仅建立了“天宫”实验室，而且顺利完成了与“神舟”的交会对接，并计划争取在2020年建立自己的长期有人居住空间站，为实现该目标，我国正加紧空间机械臂的研发进程[1]。

空间机械臂一般是多自由度的双臂杆机械臂，在执行轨迹跟踪、抓取、轨迹规划等任务时，其运动状态在空间上呈现三维立体的运动轨迹。

因此微重力模拟装置必须配合空间机械臂完成各种运动轨迹，并尽量在不改其动力学特性的情况下，在地面上为其营造一个微重力环境，以便开展机械臂的各种试验研究。

因此空间微重力环境的地面模拟平台作为至关重要的部分对于整个实验研究的顺利开展具有重要意义[2-4]。

为了验证空间机械臂轨迹跟踪、抓取、轨迹规划等问题,开展必要的地面试验是不可或缺的关键步骤。

由于空间机械臂一般是多自由度的双臂杆机械臂,其运动状态在空间呈现三维运动轨迹。

其微重力模拟系统必须能够配合空间机械臂在整个三维运动空间完成各种运动轨迹,并在尽量不改其动力学特性的情况下,在地面上为其营造一个微重力状态,以便开展机械臂的各种试验研究。

·开发与创新·The Manipulator Gravity Compensation Method Based on the Principle of Static EquilibriumHE Lei ，SUN Han-Xu ，JIA Qing-Xuan ，YE Ping(Automation School,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)Abstract:The existing methods for the simulation of spatial microgravity environment are included neutral buoyancy,freely-falling method,air-bearing suspension system and sling suspension system.Because of its cost,realization and other shortcomings,they can't work very well when used in the space manipulator simulation.Based on the static balance principle and sling suspension system,a new method is proposed in the paper.Through the verification of ADAMS simulation showed that the method can be used to manipulator's zero-g simulation.Key words:space manipulator ；static equilibrium ；ADAMS simulation ；zero-gravity simulation0引言随着科学技术的发展，空间机器人在人类探索太空活动中起着越来越重要的作用，它可以协助或者代替宇航员完成某些舱外任务从而保证宇航员的安全。

面向空间机械臂的遥操作人-机交互系统设计
汤奇荣;夏乾臣;徐宸飞;徐鹏杰
【期刊名称】《指挥与控制学报》
【年(卷),期】2022(8)3
【摘要】空间站机械臂是空间站的关键技术之一.针对太空环境中,其操纵复杂度高、操作难度大、交互效率低、限制多和天地大时延等实际问题,设计了面向空间机械
臂的遥操作人机交互系统.提出并优化了一种基于Kinect相机的手势识别算法,通过骨骼跟踪与深度信息处理分类并加工识别图像,为操作者提供反馈;结合仿真软件设
计了机械臂遥操作控制方案,配置微重力虚拟现实环境;结合模型预测控制,提出了一种基于状态预报的遥操作时延控制方案.仿真实验验证表明,该方法利用手势交互的
视觉反馈与虚拟状态预测,可引导操作者在微重力下控制机械臂抓取并移动物体,实
现人在回路的空间机械臂遥操作控制,有效降低了时延.
【总页数】8页(P278-285)
【作者】汤奇荣;夏乾臣;徐宸飞;徐鹏杰
【作者单位】同济大学机械与能源工程学院机器人技术与多体系统实验室;清华大学;国防科技创新研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.面向空间机械臂遥操作任务的客观绩效指标分析
2.面向机械臂遥操作的虚拟人机交互系统设计
3.面向空间机械臂遥操作任务的情境意识研究
4.一种面向在轨服务的空间遥操作人机交互方法
5.基于SSVEP的空间机械臂脑机交互方法
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机械臂力位置混合控制方法研究本文主要研究了机械臂力位置混合控制方法，通过结合力和位置两种控制方式，实现了机械臂的高精度和稳定性控制。

本文首先介绍了混合控制方法的基本原理和优点，然后详细阐述了实验过程和结果。

总结了研究成果和不足之处，并提出了未来的研究方向。

随着机器人技术的不断发展，机械臂在工业和医疗等领域的应用越来越广泛。

为了实现机械臂的高精度和稳定性控制，研究者们不断探索新的控制方法。

混合控制方法是一种将力和位置两种控制方式相结合的控制方法，具有提高控制精度、减小振动和降低能耗等优点。

本文主要研究了机械臂力位置混合控制方法，并对其进行了实验验证。

混合控制方法是一种将力和位置两种控制方式相结合的控制方法。

该方法通过同时控制机械臂的位置和力度，实现了机械臂的高精度和稳定性控制。

混合控制方法的原理是，通过传感器实时检测机械臂的位置和力度，将实际值与目标值进行比较，根据误差信号控制机械臂的位置和力度。

为了验证混合控制方法的有效性，本文设计了一系列实验。

实验材料包括一台六自由度机械臂、一个力传感器和一个位置传感器。

实验过程中，首先通过位置传感器实时检测机械臂的位置，然后通过力传感器检测机械臂的力度，将实际值与目标值进行比较，根据误差信号控制机械臂的位置和力度。

通过实验验证，本文发现混合控制方法具有以下优点：提高控制精度：由于同时控制机械臂的位置和力度，可以减小位置和力度之间的误差，提高控制精度。

减小振动：通过实时调整机械臂的位置和力度，可以减小机械臂受到的冲击，从而减小振动。

降低能耗：通过优化机械臂的位置和力度，可以减小机械臂的功耗，从而降低能耗。

本文研究了机械臂力位置混合控制方法，通过结合力和位置两种控制方式，实现了机械臂的高精度和稳定性控制。

实验结果表明，混合控制方法具有提高控制精度、减小振动和降低能耗等优点。

但是，该方法仍然存在一些不足之处，例如对硬件设备和算法的要求较高，需要进一步研究和改进。

本文的研究成果为机械臂力位置混合控制方法的应用提供了有益的参考。

空间站机械臂方案设计及验证
胡成威;李大明;王耀兵;刘宾
【期刊名称】《中国航天》
【年(卷),期】2023()1
【摘要】空间站机械臂技术是航天领域一项技术耦合性强、系统集成度高、技术
难度相当大的综合技术,是载人航天、深空探测、在轨服务等领域的一项重要关键
技术。

空间站机械臂是中国首个自主研制的面向宇航工程应用的大型空间机器人系统,在空间站系统中承担大型舱段转位与辅助对接,支持航天员出舱活动、舱外状态
巡检、舱外设备安装及维修,以及载荷照料等重要任务。

它涉及机械、电子、热学、动力学与控制、计算机、路径规划、感知与测量、自主智能、算法与软件,以及光学、材料、遥操作、人机交互、地面试验验证等多学科技术,系统复杂,新技术多,设计与验证难度大。

【总页数】8页(P21-28)
【作者】胡成威;李大明;王耀兵;刘宾
【作者单位】北京空间飞行器总体设计部;中国空间技术研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.移动机械臂的协调运动方案设计及验证
2.空间大型机械臂地面测试验证方案设计与实现
3.空间站机械臂操控工效学研究概述
4.十年匠心,精益求“睛”--为我国空间站机械臂镶上“慧眼”
5.空间站机械臂一体化关节设计与试验验证
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空间微重力环境地面模拟试验方法综述
齐乃明;张文辉;高九州;霍明英
【期刊名称】《航天控制》
【年(卷),期】2011(29)3
【摘要】由于目前的落塔法、悬吊法、水浮法和气浮法等空间微重力地面模拟试
验方法中设备本身的建造周期、成本及其它缺点难以满足做复杂运动的空间飞行器微重力模拟。

本文总结了目前国际上的空间微重力地面模拟试验方法的发展现状,
并分析比较了各方法的优缺点,针对其问题进一步提出了一种三维微重力环境试验
装置的设计思想,为做复杂运动的空间飞行器微重力模拟试验提供了一种初步构想。

【总页数】6页(P95-100)
【关键词】空间微重力;地面试验装置;气浮法;悬吊法;三维运动
【作者】齐乃明;张文辉;高九州;霍明英
【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.空间微重力环境地面气动模拟系统设计 [J], 陈三风;郭森;任仙怡
2.航天器密封舱微重力对流传热与传质地面试验模拟方法理论分析 [J], 李劲东
3.空间微重力地面模拟试验系统智能控制器设计 [J], 齐乃明;张文辉;马静;霍明英
4.三维空间微重力地面模拟试验系统设计 [J], 齐乃明;张文辉;高九州;马静
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空间微重力环境地面模拟试验方法综述微重力环境是空间科学研究的重要背景，也是宇航任务的重要组成部分。

构建真实的空间微重力环境需要多种系统技术的支持，但在大气中无法模拟。

模拟试验是弥补不足的一种重要方法，近些年来，地面模拟技术逐渐发展成熟，在空间微重力环境研究中发挥着越来越重要的作用。

本文就地面模拟技术在模拟空间微重力环境中的应用、研究现状及发展趋势作一综述。

一、地面模拟技术地面模拟技术是模拟空间微重力环境的重要手段，它的核心是通过外力的变化调节/去除重力，使模拟物体运动按照空间微重力环境的要求。

常用的模拟技术有弹力器技术、悬浮技术、共振技术、离心技术、重力相位技术等等。

1）弹力器技术弹簧技术是最常用的方法之一，它采用多腿弹簧来布置模拟物体，通过弹簧的多次调节来调整模拟物体的重力。

由于弹簧的受力极易过大，在模拟时需要采取一定的护措施。

2）悬浮技术悬浮技术是一种极其精确的技术，它可以将模拟物体悬浮在空中，然后通过精确的调节来实现微重力模拟。

但执行悬浮技术的过程很困难，需要考虑的问题比较多，适用范围也比较有限。

3)共振技术共振技术是一种模拟物体以振动的形式减小重力的技术，它利用电机振动，将模拟物体悬浮在空中，降低重力，实现微重力模拟。

但共振技术技术也存在运行灵敏度高，精度低的问题。

4）离心技术离心技术是利用模拟物体离心运动来模拟空间微重力环境的技术，它通过利用离心转速和轨道半径调节，使模拟物体在离心轨道的旋转中，不受其质量的影响。

但存在种种技术挑战，需要进一步深入研究。

5）重力相位技术重力相位技术是一种利用重力相位在空间微重力环境中进行精确调节的技术，它基于重力相位原理，将调节物体的重力控制在微重力环境中。

但相位技术也存在过于复杂的问题，技术实现较为困难。

二、空间微重力环境研究现状近年来，随着技术的发展，空间微重力环境的研究已经取得了显著的进步，可以模拟多种空间微重力环境，比如低重力、失重、微重力等。

这些模拟环境为空间任务的实施提供了可靠的依据和参考。

专利名称：混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法专利类型：发明专利
发明人：朱战霞,张红文,魏奇章,毛正阳,袁建平,方群,罗建军申请号：CN201510164192.4
申请日：20150408
公开号：CN104898457A
公开日：
20150909
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种混合悬浮地面微重力实验的天地控制等效方法，(1)选择空间航天器的主动操作过程为模拟对象，根据相似性原理，设计地面模拟器；(2)选择要被验证的控制规律，计算在理想实验环境下，地面模拟器达到期望轨迹时所需要的控制力；(3)将地面模拟器放置于磁液混浮的微重力环境，选择步骤(2)的控制规律，计算地面模拟器在该环境下，达到期望轨迹的控制力；(4)计算步骤(2)与步骤(3)两个控制力之差，对地面模拟器施加该控制力之差，然后再施加理想实验环境下的控制力，保证天地干扰具有相同的上限，即得到地面实验等效控制。

申请人：西北工业大学
地址：710072 陕西省西安市友谊西路127号
国籍：CN
代理机构：西安通大专利代理有限责任公司
代理人：徐文权
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