针对空间机器人多阶段在轨操作任务中存在的状态扰动及其对切换过程造成的影响，本文提出了一种改进的鲁棒切换模型预测控制方法，在基于优先级的切换预测控制框架内实现了状态鲁棒性与切换鲁棒性。首先，采用基于Tube的方法设计了空间机器人在轨操控任务各子阶段的鲁棒跟踪控制器；其次，针对状态依赖切换条件设计了基于不变集的松弛策略，以避免状态扰动对切换时间优化收敛造成的影响；最后，引入动态权重修正机制，通过在线调整阶段间权重分配来补偿切换时间优化误差对整体任务的影响，而无需额外增加观测或补偿环节。通过典型空间机器人操作任务的数值仿真验证了提出方法的有效性。

相关成果以“空间机器人多任务鲁棒切换模型预测控制”为题发表于《中国科学：技术科学》2025年第11期。

研究内容

空间机器人在轨执行搬运、捕获与释放等多阶段任务时，其基座与机械臂运动容易受到外界扰动和模型不确定性的影响，尤其在状态依赖的切换机制下，微小偏差便可能造成切换时刻漂移，引发后续阶段提前启动等问题。本文研究的典型空间机器人系统如图1所示，在该模型中，多阶段操作的稳定切换对于任务整体性能至关重要。

图1 空间机器人构型示意图

由于空间机器人基座处于浮动状态，基座姿态会随机械臂运动被动变化，使干扰对切换时刻的影响进一步放大。为提升多阶段任务在扰动条件下的执行稳定性，本文首先基于Tube方法构建鲁棒跟踪控制器，用以抑制状态误差并确保各阶段的跟踪精度；随后针对状态依赖切换条件在扰动下难以严格满足的问题，引入不变集松弛策略以增强切换时刻优化的可行性与稳定性；最后，为缓解切换误差导致的阶段提前启动现象，设计动态权重修正机制，通过在线调整阶段间代价权重，在无需额外观测或补偿模块的前提下，进一步提升整体任务切换的可靠性与稳健性。

重点图表

为验证所提方法在多阶段在轨操作任务中的有效性，本文基于典型的“搬运—释放”场景进行了对比仿真。图2给出了状态鲁棒SMPC与改进的鲁棒切换SMPC在关键时刻的任务执行画面。从结果可以看到，两种方法在搬运阶段均能够保持基本一致的末端运动，但在随后的释放阶段表现存在明显差异：传统状态鲁棒 SMPC 会在未到达目标点之前提前触发释放动作，而改进方法能够保证释放动作发生在指定位置附近，任务流程更加稳定可靠。

图2 仿真结果示意图

为了进一步展示提前释放问题的影响，图3给出了目标物体在两种方法下的轨迹对比。可以观察到，两种方法的搬运动作路径基本一致，但传统方法由于切换时刻提前，导致目标在接近目标点之前被提前释放，造成任务失败；而改进的鲁棒切换SMPC则在末端到达期望位置附近后才执行释放动作，保证任务顺利完成。

图3 目标物体轨迹

图4与图5分别展示了未改进和改进方法下的基座位姿与关节角变化过程。可以看到，虽然状态鲁棒SMPC能够在扰动条件下实现状态最终收敛，但其切换时刻约为 11.2s，明显早于期望的最优切换时刻，从而使得释放阶段提前启动，引发动作执行紊乱。而在加入动态权重修正后，改进的鲁棒切换SMPC在保持良好跟踪性能的同时，将释放阶段的实际启动时间推迟至约13.5s，与最优值高度一致，从而有效消除了提前切换现象，恢复了基于优先级的切换控制策略原本的作用。

图4 状态鲁棒SMPC结果. (a) 基座位姿; (b) 关节角度

图5 改进的鲁棒SMPC结果. (a) 基座位姿; (b) 关节角度

图6进一步给出了切换时刻优化的收敛过程，可以看出切换时刻在仿真过程中逐步收敛至约 13.6s，与改进方法的实际启动时刻保持一致，验证了权重修正机制在切换过程中的鲁棒效果。

图6 切换时间优化结果 

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柳子然, 岳程斐, 曹喜滨. 空间机器人多任务鲁棒切换模型预测控制. 中国科学: 技术科学, 2025, 55: 1942-1953.