机器人杂志

机器人杂志2022年第1期

• 火星车沉陷机理与脱困策略研究

  潘冬, 陈朕, 袁宝峰, 王瑞, 陈百超, 邹猛

  以“祝融号”火星车为研究对象，基于车辆地面力学理论分析了火星车发生沉陷的机理，基于滑转率、电流、沉陷深度等给出沉陷判别方法，制定了不同条件下“祝融号”火星车的沉陷判别准则及脱困策略。验证试验结果表明：临界沉陷时滑转率为61.25%、驱动电流为1.90 A，达到沉陷临界值后“祝融号”火星车将无法直接驶离，而“祝融号”火星车主动悬架的蠕动是实现脱困的有效方法。研究成果可为“祝融号”火星车在轨使用策略提供试验数据和参考。

• 绳驱超冗余空间柔性机械臂遥操作系统设计与实验研究

  朱晓俊, 王学谦, 马云萱, 梁斌, 孙汉旭

  针对绳驱超冗余空间柔性机械臂的运动特点和在大范围工作空间快速运动、避障及狭小空间作业和触碰情况下精细操作等在轨遥操作任务需求，设计并研制了适应多种工况的基于手控器和虚拟现实（VR）手柄组合的遥操作人机交互系统。对狭小空间作业和避障等工况进行分析，提出了基于自由度动态组合和末端―臂形同步规划的遥操作方法。最后，完成了穿越卫星太阳帆板狭缝的典型实验，实验验证了遥操作系统的工程实用性，以及柔性机械臂遥操作运动规划方法的可行性。因此，配合使用多种人机交互方式组合的遥操作系统和相应的运动规划方法，可使操作者以更加直观自然的方式参与到遥操作系统中，有效提高操作员完成复杂遥操作任务的安全性和操作性能。

• 基于时变输出约束的机器人遥操作有限时间控制方法

  李陇南, 黄攀峰, 马志强

  受操作时间窗口和工作空间的限制，空间遥操作任务需要在有限时间内完成，同时确保末端执行器满足物理约束。此外，时延和外部扰动使不确定遥操作系统的稳定性和控制性能受到严重影响。为此，本文提出了一种基于时变输出约束的机器人遥操作有限时间控制方法。首先，利用积分障碍李雅普诺夫函数处理操作空间的时变约束问题，实用有限时间李雅普诺夫稳定定理保证了系统的快速稳定性。然后，利用神经网络估计环境力以及消解模型不确定性带来的影响，利用鲁棒项补偿神经网络的估计偏差和消解未知外部扰动的影响。最后，在Matlab/Simulink环境下同其他算法进行仿真对比，并在地面实验平台上验证了该算法，理论仿真和实验结果表明该方法进一步提高了误差收敛速率和收敛精度，且系统的输出不会超出预先设定的时变边界。

• Kresling和Miura折痕混合型三指机械手的运动学分析及其设计

  杨慧, 汪祥, 乔尚岭, 刘荣强

  提出了一种基于Kresling和Miura折痕的混合型三指机械手，该手具有抓取范围大、结构简单和灵活性高的特点。首先，对Kresling折痕进行几何分析，建立了Kresling折痕参数与应变能之间的关系方程。利用坐标法建立了多层Miura折纸单元的力矩与指节长宽比之间的关系方程；在此基础上利用虚功原理建立了混合型单元的各个参数之间关系的数学模型，并采用D-H（Denavit-Hartenberg）坐标法计算出末端点的分布来确定机械手的工作空间；采用力矩平衡的方法，分析了机械手对圆柱体和长方体分别进行指尖抓取和包络抓取的情况，得出了各接触力与各关节角之间的关系。

• 考虑迟滞及变形影响的主被动混合驱动绳驱空间机械臂运动学建模及求解

  杨太玮, 郑旭东, 徐文福, 刘天亮, 黄一帆, 梁斌

  在绳驱空间机械臂的非结构化环境灵巧作业中，驱动绳索拉伸和臂段形变给机械臂的精确控制带来了困难。为此，本文提出一种改进运动学模型。首先，建立机械臂“驱动绳索长度－关节角度－末端位姿”的多重映射运动学模型；进一步考虑绳索迟滞、运动方向切换和臂段变形3种因素耦合影响，改进“驱动绳索长度－关节角”的映射模型。其次，设计试验平台，开展不同负载下的绳索迟滞量测定试验。最后，对比改进运动学模型仿真结果和绳驱空间机械臂样机试验数据。与理想几何模型的比较结果表明，长1110 mm的两段绳驱空间机械臂的末端绝对位置误差可减小15.2 mm；末端绝对位置误差减小61.4%，证明了改进运动学模型的有效性。

• 模块化超冗余度空间机械臂的设计与实验

  李艳辉, 霍琦, 李昂, 贺帅, 张恩阳, 赛华阳, 朱明超, 徐振邦

  针对空间在轨服务任务需求设计了一种9自由度的模块化超冗余空间机械臂。该机械臂由9个相同的机械臂关节构成，其关节数量可根据任务要求进行调整。模块化关节采用一体化设计，关节内部合理地布置了机械传动部分与电气部分。基于改进的Bi-RRT算法和建立的机械臂的正逆运动学模型，机械臂进行了穿越复杂障碍环境的仿真和实验，实验结果表明该机械臂可以灵活地穿越障碍环境。基于阻抗控制算法，分别采用该机械臂进行了写字实验和恒力保持实验，实验结果表明机械臂具有良好的力控制能力。实验验证了该机械臂具备在复杂空间环境中执行在轨服务的能力。

• 基于伪测量法的直链式<i>N</i>体空间绳系系统约束状态估计

  方国涛, 张夷斋, 黄攀峰

  针对直链式N体空间绳系系统（STS），将系绳绳长作为先验信息，在仅使用2个GPS（全球定位系统）传感器的条件下，提出了一种基于伪测量法的约束状态估计方法。首先，基于Udwadia-Kalaba方法建立了一种新颖的直链式N体STS通用动力学模型。然后，针对GPS传感器更新频率低和非线性系统模型线性化过程中雅可比矩阵计算复杂的问题，开发了一种改进的平方根无迹卡尔曼滤波（IUKF）算法。同时，基于李导数的局部弱可观的秩判据方法严格证明了本文估计方法的可观性。最后，仿真验证了本文方法的有效性。仿真结果表明所提方法能够保证系统状态估计精度和跟踪实时性。

• 空间机器人最优能耗捕获目标的自适应跟踪控制

  柳强, 金明河, 刘宏, 王滨

  提出了一种能够引导末端执行器以期望速度跟踪目标的轨迹规划方法。该方法可以实现避障并满足关节限制要求。基于轨迹规划方法，设计了一种利用自由飘浮空间机器人跟踪与捕获章动自旋卫星的自适应控制策略。此外，该控制策略还考虑了最优能耗、测量误差和优化误差。首先，为了使执行器的跟踪误差和机械臂的能耗最小，将空间机器人的控制策略描述为一个关于关节速度、力矩和避障距离的不等式约束优化问题。然后，推导出一个系数为下三角矩阵的显式状态方程，并对目标函数进行解耦和线性化。设计了一种关节速度和力矩分段优化方法去代替传统的凸二次规划方法求解最优问题，这种方法具有较高的计算效率。最后，利用李雅普诺夫稳定性理论验证了所提控制方法的收敛性。

• 面向接管控制的空间机器人操控技术综述

  刘习尧, 常海涛, 黄攀峰, 韩冬, 鲁迎波

  为了延长在轨故障卫星的寿命、移除重要轨道位置上的空间碎片或失效卫星，使用空间机器人对空间目标的姿态或/和轨道进行接管控制变得越来越重要。本文系统调研了各类可用于对空间目标进行接管控制的手段，并将其按照与目标接触方式的不同，分成了刚性接管控制、绳系柔性接管控制以及非接触式接管控制，对各种接管控制手段进行了详细的阐述。最后对这3类接管控制手段的具体原理、操作方式及关键技术进行了系统的总结和分析，概括了各自的特点以及优劣势，对相关领域的理论与实践研究进行了展望。

• 空间机械臂操控技术研究综述

  薛智慧, 刘金国

  考虑到空间机械臂在执行在轨维修、在轨组装、在轨加注等复杂危险的空间任务时，其精准、灵巧的操控技术的重要性，从不同类型空间机械臂构形、末端执行器出发，分析了空间机械臂的发展趋势。综述了空间机械臂操控过程中涉及的5项关键技术，包括：交会对接与捕获技术、自主规划与智能控制技术、传感与感知技术、智能协同与操控技术及系统安全保障技术。最后，就现有的空间机械臂在操控过程中面临的问题，提出未来的发展方向及展望。