小天体采样机器人耦合交互作用机理及主被动柔顺操控方法研究
批准号:
62103407
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张鑫
依托单位:
学科分类:
机器人学与智能系统
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张鑫
中文摘要
小天体表层采样是研究太阳系起源与演化的重要途径,空间机器人柔顺操控是实现采样的关键技术之一。星表环境的高度不确定性要求空间机器人具备较强的环境适应性和交互能力。当前,主流的“触碰即飞”采样通过控制基体实现采样,并未充分发挥机械臂的操控能力,导致采样效率低,安全性差。为此,本项目以“连续接触”扫掠式采样为目标,基于变刚度柔性关节技术,通过利用“机械柔顺”和“控制柔顺”的互补优势,开展主被动复合柔顺操控研究。首先,建立“基体-机械臂-环境”的多层级耦合交互模型,推导采样碰撞效应函数,解析二者作用下系统的运动/力行为。其次,提出基于补偿规划与解耦控制的精准扫掠操控方法,以抵消动力学耦合对系统的干扰。再次,提出基于刚度自适应匹配的主被动复合柔顺控制策略,实现安全、稳定的柔顺采样。最后,搭建地面模拟平台验证以上方法。研究成果有望突破小天体柔顺采样技术瓶颈,为未来采样任务提供理论基础和技术支撑。
英文摘要
Small body surface sampling is an important way to investigate the origin and evolution of the solar system, and the compliant manipulation of space robots is one of the key technologies for realizing the sampling task. The high uncertainty of the small body surface environment requires space robots to have strong environmental adaptability and interaction ability. Currently, the mainstream sampling method, “touch-and-go”, accomplishes the sampling task by controlling the base, and the manipulability of the robotic arm is not fully utilized, which results in low sampling efficiency and poor safety. Therefore, this project aims at the “continuous contact” sweep sampling, and studies the active and passive composite compliant manipulation technology by making fully use of the complementary advantages of “mechanical compliance” and “control compliance” based on the variable stiffness flexible joint technology. First, the multi-level coupling interaction model of “base-manipulator-environment” is established; the sampling collision effect function is deduced; and the motion/force behavior of the system is analyzed under consideration of both coupling and collision effects. Then, the accurate sweeping manipulation method based on the compensation planning and the decoupling control is proposed to compensate the interference of dynamic coupling to the system. Furthermore, an active and passive composite compliant control strategy based on the adaptive stiffness match is proposed to achieve the safe and stable compliant sampling. Finally, a ground simulation platform is established to verify the above methods. The research results are expected to break through the bottleneck of compliant sampling technologies for small bodies and provide the theoretical foundation and technical support for the future sampling task.
小天体被视为太阳系起源的“活化石”,是人类了解太阳系的重要载体,蕴含着重要的科学信息,探索小天体具有重要的科学意义。本项目针对小天体采样过程中机械臂与小天体表层柔顺交互问题开展基础理论和模拟验证研究工作。项目围绕连续接触扫掠采样任务,采用主被动柔顺理念,探究空间机器人与小天体星表环境的交互机理,提出安全、稳定、可靠的柔顺作业方法。具体研究内容包括:1)空间机器人与环境的耦合交互建模与分析;2)基于补偿规划与解耦控制的精准扫掠操控研究;3)空间机器人主被动复合柔顺控制策略研究;4)原理样机搭建与实验设计。取得的重要结果包括:1)基于硬件在环策略,搭建了一套地面模拟实验平台;2)针对空间机器人的基-臂耦合问题,提出一种基于时延预测的无模型解耦控制算法,可实现系统高效高精准地解耦;3)针对未知环境的交互控制,提出一种自适应变刚度柔顺控制方法,实现高精准的力跟踪控制;4)提出一种基于能量罐概念的柔顺控制优化框架,可在多种采样场景下保证安全、稳定控制。取得的关键性数据指标:1)系统解耦控制:机械臂与基体之间的解耦效果,三轴姿态扰动在±0.1°,三方向位置扰动在±0.01m;2)采样接触力:采样接触力跳动范围为±1N。本项目在国家自然基金委的支持下,总体进展良好,发表高水平论文14余篇(其中SCI论文9篇),相关研究成果有望为未来我国小天体采样任务提供理论和技术支持。
国内基金
海外基金