控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

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1、2014年3月第40卷第3期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMarch2014V01．40NO．3控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制贾英宏赵楠徐世杰(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：提出一种新的空间机器人设计概念，并研究其轨迹跟踪控制问题．系统中的各机械臂以自由球铰连接，在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺(CMGs，ControlMomentGyroscopes)作为控制力矩执行机构．采用改进的罗

2、格里得斯参数(MRPs，Modi-fiedRodriguesParameters)描述平台和各节机械臂的姿态，利用Kane方程建立了系统的动力学模型．在此基础上，用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律，用以实现卫星平台的位置／姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制．采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异．基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性，以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性．关键词：空间机器人；控制

3、力矩陀螺；球铰；轨迹跟踪控制；Kane方程中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1001—5965(2014)03-0285-07TrajectorytrackingcontrolofspacerobotactuatedbycontrolmomentgyroscopesJiaYinghongZhaoNanXuShijie(SchoolofAstronautics，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)Abstract：Anewde

4、signconceptofspaceroboticsystemwasproposed，aswellasatrajectorytrackingcontrolapproach．Unliketraditionalmanipulatorarms，thespacerobotemploysfreeballjointsasmanipulatorlinkconnections．Agroupofcontrolmomentgyroscopes(CMGs)，servingastorqueactuators，wasmountedoneachlinkand

5、thebase．ThemodifiedRodriguesparameters(MRPs)wereemployedtodescribetheatti·tudeofthebaseandthelinks，andtheequationsofmotionwerederivedbyusingKane’Sequations．Toac—complishtrajectorytrackingcontrolofboththebaseposition／attitudeandtheendeffectorposition，acontrollawwasdesi

6、gnedusingtheinversedynamicsmethod．AsteeringlawwithnullmotionwasadoptedforeachgroupofCMGstoachievesimultaneousdesiredtorqueoutputandsingularityconfigurationavoidance．Thesim·ulationresultsbasedonatwo-jointspacerobotsystemwithpyramid··configurationCMGsdemonstratetheeffee

7、--tivenessoftheproposedcontrollawandsteeringlaw，aswellastheballjointadvantageinincreasingthede—greesoffreedomoftheendeffectoranddecreasingthesystemdynamicalcoupling．Keywords：spacerobot；controlmomentgyro；balljoint；trajectorytrackingcontrol；Kane’Sequation空间机器人在在轨服务中具有广阔

8、的应用前景，其轨迹跟踪控制问题也一直是航天领域的热点问题⋯．然而，目前工程上已应用的空间机器人均采用关节力矩驱动的方式，大多数理论研究也采用此类驱动方式．利用关节力矩驱动时，关节处的作用力矩／反作用力矩特性使得系统的动力收稿日期：2013_05·1