机械臂辅助舱段转位轨迹跟踪控制与精度分析

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1、第２０卷第２期载人航天Ｖｏｌ．２０Ｎｏ．２２０１４年３月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＭａｒ．２０１４机械臂辅助舱段转位轨迹跟踪控制与精度分析张大伟，梁常春，危清清（中国空间技术研究院总体部，北京１０００９４）摘要：舱段转位是空间站机械臂的核心任务之一，舱段转位过程中的高精度控制是保证实验舱与核心舱径向对接的重要前提。通过建立转位过程的高保真度仿真模型，分析了不同的整臂控制策略及关节控制策略对转位过程中机械臂轨迹跟踪精度的影响；指出了提高整臂控制精度需要整臂控制和关节控制协调设计，提高关节伺服控制带宽和降低关节目标速度频率都是提高机械臂末端跟踪精度

2、的有效方法。关键词：空间站机械臂；舱段转位；轨迹跟踪；精度分析＋中图分类号：Ｖ４２３畅４１文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１４）０２-０１０４-０６TrajectoryTrackingControlandAccuracyAnalysisofSpaceRoboticArmAssistedCabinRedockingＺＨＡＮＧＤａｗｅｉ，ＬＩＡＮＧＣｈａｎｇｃｈｕｎ，ＷＥＩＱｉｎｇｑｉｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅｃｒａｆｔＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

3、１０００９４，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｃａｂｉｎｒｅｄｏｃｋｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｔａｓｋｓｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｓｔａｔｉｏｎｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒａｎｄｈｉｇｈ-ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｄｕｒｉｎｇｃａｂｉｎｔｒａｎｓｆｅｒｉｓａｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｏｒｒｅｄｏｃｋｉｎｇ．Ｗｉｔｈｔｈｅｅｓｔａｂ-ｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆａｈｉｇｈｆｉｄｅｌｉｔｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｔｒａｃｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆ-ｆｅｒｅｎｔａ

4、ｒｍｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｊｏｉｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙ，ａｒｍｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｊｏｉｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｈｏｕｌｄｂｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｌｙ，ｈｉｇｈｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｊｏｉｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｊｏｉｎｔｔａｒ-ｇｅｔｓｐｅｅｄａｒｅｈｅｌｐｆｕｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｔｒａｃｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ．Keywords：ｓｐａｃｅｓｔａｔｉｏｎｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｃａｂｉｎｒｅｄｏｃｋｉｎｇ；ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｔｒａｃｋｉ

5、ｎｇ；ａｃｃｕｒａｃｙａｎａｌｙｓｉｓ位后径向对接成功的基础条件，也是保证转位过１引言程中舱体状态受控、避免碰撞的必要条件，对空间空间站核心舱机械臂的任务包括舱段捕获、站安全和任务顺利完成十分重要。转移、设备安装、维修更换、载荷操作、辅助航天员机械臂辅助舱段转位的难点体现在两个方［１，２］转移及舱外状态监视等。舱段转位是空间站面，一是实验舱尺寸、质量、惯量大，机械臂负载实［５］核心舱机械臂的首要任务，也是机械臂难度最大验舱后系统频率极低，柔性特性明显，机械臂的任务之一。需在时间、速度等多约束条件下完成舱段转移并舱段转位是空间站建设的重要步骤，空间站保证

6、运动的精度与平稳性，控制难度大；二是转位三舱采用对接和转位的方式完成建造：机械臂在任务地面验证难度大，核心舱、实验舱、机械臂组转位过程中的任务是将已对接于节点舱轴向端口成的系统尺度大，地面上复现在轨的零重力环境的实验舱平移并旋转后转移到节点舱Ⅱ、Ⅳ象限，并开展全尺寸物理验证十分困难，主要通过精确［３，４］［６，７］并控制其与节点舱二次对接，在分别完成两仿真分析进行验证。次舱段转位后，空间站建成三舱基本构型。通过高保真度的仿真模型对机械臂的转位过转位过程舱体运动的高精度控制，是保证转程进行分析并对控制方案进行验证，是验证系统收稿日期：２０１４-０１-１５

7、；修回日期：２０１４-０３-２２作者简介：张大伟（１９８２-），男，博士，工程师，研究方向为空间机构产品设计。Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｔｂｚｄｗ＠１２６．ｃｏｍ第２期张大伟，等．机械臂辅助舱段转位轨迹跟踪控制与精度分析１０５设计、支持任务验证的重要方法，也是对任务合理２畅２模型标定与验证［８，９］规划、支持机械臂在轨应用的重要方法。本在设计阶段，没有完整产品的测试数据，为了文基于该方法，对机械臂辅助舱段转位过程轨迹对模型的准确性进行验证，通过多种方法对模型跟踪控制精度进行分析研究。进行了标定和验证。对关节模型的验证内容包括：２系统仿真模型建模１）根据工程样机单

8、关节刚度测试结果，修正２畅１模型内容及状态关节非线性刚度（关节刚度测试曲线见图２）；根据空间站