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弹性基和弹性关节空间机器人的自适应鲁棒抗扰控制及振动抑制

已有 2767 次阅读 2018-9-6 17:38 |系统分类:科研笔记

空间机器人是人类太空探索的得力助手，主要用于执行外层空间站组装、失效卫星回收、太空垃圾清理等空间作业任务。为了确保此类系统具备预期的轨迹跟踪控制性能，空间机器人动力学的非线性、强耦合性及相关控制问题理应受到重视。现实应用中的许多空间机器人常属一类典型的弹性多体系统，其系统关节、基座均可能会出现弹性振动现象，如驱动机器人臂杆运动的关节装置会因制造、谐波减速等原因而呈现弹性；安装有作业臂的浮动基座导轨会因载体与作业臂的动力学耦合作用而出现弹性振动等。这些弹性振动在无阻尼太空环境下容易被激发且衰减非常缓慢，对整个系统的实时操控精度产生一定的负面影响。再者，由于作业过程中载体控制燃料的消耗、目标载荷的抓取与释放、太阳风等原因，空间机器人不可避免将面临系统参数不确定、外部扰动并存的复杂工况，这同样会给空间机器人控制系统的设计带来难度。因此，继续研究不确定弹性基和和弹性关节空间机器人的轨迹跟踪控制及振动抑制问题具有十分重要的现实意义。

弹性基和弹性关节空间机器人的简化物理模型，如图1所示。系统的空间基座、机械臂各关节铰仅在一个方向上发生弹性变形且可分别等效为一个无惯量的线性伸缩弹簧及线性扭转弹簧模型；除基座、关节铰存在弹性外，其余各构件均被视为刚性部件；空间基座处于位置无控、姿态受控状态，各臂杆具有一个旋转自由度且受内部关节驱动电机的主动控制。

图1 弹性基、弹性关节空间机器人

本文旨在解决不确定弹性基和弹性关节空间机器人的抗扰运动控制及基座和关节弹性振动同步抑制问题。在对基座和关节弹性进行等效线性弹簧假设的基础上，建立了弹性基和弹性关节空间机器人的动力学方程，并推导了基于等效刚度思想的奇异摄动慢、快变子系统。对传统参数自适应控制律进行σ修正并与鲁棒抗扰控制相结合，为不确定参数、有界外部扰动影响下的慢变子系统提出了基座姿态和臂杆关节刚性运动轨迹跟踪的改进自适应鲁棒抗扰控制方案；使用高增益线性状态观测器对快变高阶量进行实时观测，针对快变子系统设计了基座和关节弹性振动同步抑制的改进最优控制方案。仿真示例分析，表明了所提混合控制方案在空间机器人抗扰运动控制及振动抑制上的有效性。图2为开启φ&和τrob时的系统轨迹跟踪情况；图3为关闭φ&和τrob时的系统轨迹跟踪情况；图4为开启和关闭φ&和τrob时的系统柔性振动情况对比。