中国空间科学技术

›› 2014, Vol. 34 ›› Issue (2): 13-21.doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2014.02.002

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无反作用力矩空间机器人轨迹跟踪控制

 赵楠, 贾英宏, 徐世杰   

  1. （北京航空航天大学宇航学院，北京100191）
  • 收稿日期:2013-08-26 修回日期:2013-10-25 出版日期:2014-04-25 发布日期:2014-04-25
  • 作者简介:赵楠 1987年生，2011年毕业于哈尔滨工业大学飞行器设计专业，现为北京航空航天大学导航、制导与控制专业硕士研究生。研究方向为航天器动力学与控制。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金（11272027）资助项目

TrajectoryTrackingControlofaReactionlessSpaceRobot

 ZHAO  Nan, JIA  Ying-Hong, XU  Shi-Jie   

  1. (SchoolofAstronautics,BeihangUniversity,Beijing100191)
  • Received:2013-08-26 Revised:2013-10-25 Online:2014-04-25 Published:2014-04-25

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摘要： 针对目前关节驱动方式的不足，提出一种采用无反作用力矩驱动方式的空间机器人设计概念。系统平台与各节机械臂上均安装一组金字塔构型的控制力矩陀螺（CMGs）作为力矩执行机构，各臂间由自由球铰连接。采用Rodriguez参数描述平台姿态和机械臂角位移，利用Kane方程建立系统动力学模型。在此基础上，设计了渐近稳定的轨迹跟踪控制律，使得平台姿态和机械臂角位移跟踪期望运动轨迹；并设计了CMGs操纵律，使之准确输出期望控制力矩。此外，研究了机械臂工作空间到关节空间的轨迹规划算法，使得所设计的控制律也可应用于工作空间的轨迹跟踪控制。由三关节系统的仿真结果，验证了无反作用力矩设计概念的可行性和轨迹规划算法的有效性。

关键词: 球铰, 控制力矩陀螺, 机械臂, 轨迹跟踪, 空间机器人

Abstract: Anewreactionlessspacerobotdesignconceptwasputforwardtoovercometheshortcomingsofthecurrentdrivetypes.Controlmomentgyros(CMGs)weremountedoneachpartmechanicalarmandsystemplatformasmovementactuators.Mechanicalarmswereconnectedwithsphericalhinges.PlatformattitudeandangulardisplacementweremeasuredbytheRodriguesparameters(RPs).BasedonsystemdynamicsmodelbuiltwithKanemethod,agraduallystabletrajectorytrackingcontrollawwasdesignedtotracktheplatformattitudeand mechanicalarmangulardisplacement,andaCMGssteeringlawwasdesignedtooutputexactexpectedcontroltorque.Moreover,thedesigned controllawscanbefurtherextendedtotrackandcontroltheworkspacetrajectorybystudyingthetrajectoryplanningalgorithms betweenthemechanicalarmsworkspaceandjointsspace.Thesimulationresultsfromthethreejointssystemshaveverifiedthefeasibility ofdesignandeffectivenessoftheproposedtrajectoryalgorithms.

Key words: Sphericalhinge, Controlmomentgyros, Robotarm, Trajectorytracking, Spacerobot