基于全驱动系统方法的新型肌腱驱动空间操纵器的实用预定时间轨迹跟踪控制

《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》：Practical Prescribed-Time Trajectory Tracking Control for a Novel Tendon-Driven Space Manipulator via Fully Actuated System Approaches

张力驱动空间机械臂在存在不确定性和形变下的预设时间控制方法研究。通过拉格朗日法建立动力学模型并转化为二阶完全受控非线性系统，设计具有高跟踪精度和快速轨迹跟踪特性的控制策略，经数值模拟与物理实验验证有效。

　　

摘要：

本文研究了一种新型肌腱驱动的空间操纵器的预定时间控制问题，该操纵器在复杂操作过程中存在不确定性和变形。考虑到绳索的弹性势能损失以及多个电机协同驱动下关节运动的耦合效应，通过拉格朗日方法建立了空间操纵器的动力学模型。该动力学模型通过等效变换被转化为一类二阶全驱动非线性系统。随后，采用高阶全驱动系统方法设计了一种实用的预定时间控制器。所设计的控制方法具有两个特点：首先，通过全驱动系统方法将非线性系统控制问题转化为线性系统控制问题，从而实现了高跟踪精度；其次，利用预定时间控制技术实现了快速轨迹跟踪。最后，通过数值模拟和物理实验验证了所提出控制方法的有效性和优越性。

引言

空间操纵器在多种航空航天活动中发挥着重要作用，例如在轨服务[1]、空间组装[2]和主动清除空间碎片[3]等。随着未来航空航天技术的发展，诸如捕获大惯性旋转目标[4]、在轨组装大型航天器结构[5]以及小行星捕获与开采[6]等任务对空间操纵器的负载能力和操作范围提出了更高要求。传统的空间操纵器由电动机、减速器、制动器和碳纤维复合管组成的旋转关节构成，并在关节处使用齿轮系统来放大输出扭矩。这些部件的质量约占操纵器总质量的80%至90%，因此重量成为重要的考虑因素[7]。近年来，随着电缆驱动操纵器技术的快速发展，电缆传动机制使得驱动部件和运动部件得以分离，从而减小了操纵器的体积[8]。然而，现有的电缆驱动操纵器存在操作范围短和负载能力弱的问题（操作距离通常以米计，负载仅有几公斤）。为弥补传统空间操纵器和电缆驱动操纵器在长距离、高扭矩空间任务中的不足，美国国家航空航天局（NASA）推出了一种肌腱驱动的空间操纵器（TDSM）[7]、[9]。由于其独特的机械结构，TDSM能够在减轻重量成本的同时实现更大的关节扭矩和负载能力，成为未来空间探索的有效技术途径之一。NASA的研究表明，对于长度相当的操纵器，TDSM的质量比传统空间操纵器轻几个数量级，其折叠后的体积约为空间站遥控操纵器系统的七分之一[7]，这可以显著降低火箭发射的成本。