王啟生,蔣建平,李慶軍,江國(guó)期,周鈴松
(中山大學(xué)航空航天學(xué)院,廣東廣州 563100)
隨著航天科技的發(fā)展,世界各國(guó)都認(rèn)識(shí)到空間組裝技術(shù)對(duì)未來(lái)航天器設(shè)計(jì)與建造模式的重要性,紛紛對(duì)空間組裝進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐、方案論證和學(xué)術(shù)研究。超大型航天器的結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到數(shù)百米甚至數(shù)千米,包括空間太陽(yáng)能電站、超大口徑衛(wèi)星天線、人工重力場(chǎng)航天器等。受限于現(xiàn)有運(yùn)載工具的運(yùn)送能力,這些構(gòu)造復(fù)雜、尺寸巨大的空間結(jié)構(gòu)往往無(wú)法通過(guò)地面裝配、整體發(fā)射的方式升空。空間組裝技術(shù)成為建造超大型航天器的關(guān)鍵技術(shù)。
建立空間組裝過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型,研究組裝過(guò)程航天器姿態(tài)與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性,是實(shí)現(xiàn)超大型航天器空間組裝的基礎(chǔ)。史紀(jì)鑫等針對(duì)大型復(fù)雜航天器組裝過(guò)程小變形情況,采用模態(tài)綜合法建立了非線性動(dòng)力學(xué)模型,并通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證了其有效性。WANG 等研究了太陽(yáng)能衛(wèi)星在軌裝配過(guò)程中的分布式自適應(yīng)振動(dòng)控制,并通過(guò)控制單元和整個(gè)SPS結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系建立了控制單元的動(dòng)態(tài)模型。榮吉利等采用自然坐標(biāo)法與絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法對(duì)空間太陽(yáng)能電站的剛性與柔性構(gòu)件建立了動(dòng)力學(xué)模型,研究了組裝時(shí)間、組裝機(jī)構(gòu)的阻尼和剛度系數(shù)對(duì)組裝過(guò)程的影響。然而,上述研究聚焦于組裝過(guò)程的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,未涉及空間機(jī)器人的組裝控制。
利用空間機(jī)器人協(xié)助或替代宇航員在太空中執(zhí)行超大型航天結(jié)構(gòu)空間組裝、空間站的建造等操作,一方面可以確保良好的操作精確度,提高自主性和靈巧性;另一方面能夠克服在軌應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)障礙。文獻(xiàn)[6-7]推導(dǎo)了具有柔性附件的空間機(jī)器人系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,基于動(dòng)態(tài)耦合模型設(shè)計(jì)了閉環(huán)控制系統(tǒng),空間機(jī)械臂在抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的同時(shí)成功捕獲運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。CHEN等將柔性附件和剛性飛行器主體組成的柔性航天器合理地簡(jiǎn)化為自由浮動(dòng)的轂梁系統(tǒng),針對(duì)組裝過(guò)程中航天器之間的碰撞以及撓性部件的振動(dòng)問(wèn)題,提出了一種復(fù)合控制方法。時(shí)月天等基于仿生理論,設(shè)計(jì)了一種適用于空間太陽(yáng)能電站空間組裝的足型機(jī)器人,安裝過(guò)程中空間機(jī)器人可在薄膜和桁架之間自由爬行。張瀚博等針對(duì)復(fù)雜條件下空間桁架組裝具有局限性的問(wèn)題,創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種適用于空間桁架空間組裝的空間機(jī)器人,提高了組裝效率。程靖等針對(duì)漂浮基空間雙臂機(jī)器人在軌服務(wù)時(shí)易于航天器發(fā)生碰撞的問(wèn)題,建立了空間機(jī)器人捕捉大型航天器動(dòng)力學(xué)方程,并研究了捕捉過(guò)程鎮(zhèn)定運(yùn)動(dòng)最優(yōu)控制方法。朱安等設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)型串聯(lián)彈性執(zhí)行器,有效避免了空間機(jī)器人捕捉衛(wèi)星過(guò)程中關(guān)節(jié)之間相互碰撞沖擊。然而,上述研究并未考慮萬(wàn)有引力梯度和姿-軌-柔耦合效應(yīng)的影響。
機(jī)器人空間組裝超大型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)與控制涉及機(jī)器人多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與軌跡規(guī)劃、大柔性結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈辖!⒑教炱鬈壍篮妥藨B(tài)動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制,以及萬(wàn)有引力及其梯度等空間環(huán)境多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,給精確動(dòng)力學(xué)建模、耦合動(dòng)力學(xué)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大困難。CAO 等針對(duì)OMEGA 空間太陽(yáng)能電站圓形反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的組裝問(wèn)題,通過(guò)傳統(tǒng)“車(chē)-橋耦合”模型研究了組裝過(guò)程的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。然而,上述研究并沒(méi)有考慮機(jī)器人的操控過(guò)程,也沒(méi)有考慮組裝過(guò)程的姿-軌-柔耦合效應(yīng)。
綜上所述,超大型空間結(jié)構(gòu)由于超大的尺寸和超低的固有頻率,在復(fù)雜空間環(huán)境和機(jī)器人操控干擾下會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)、姿態(tài)擺動(dòng)、軌道漂移等復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為,對(duì)機(jī)器人控制精度、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、組裝精度等造成影響。然而,當(dāng)前研究或是沒(méi)有考慮機(jī)器人對(duì)大柔性結(jié)構(gòu)的控制,或是沒(méi)有考慮復(fù)雜空間環(huán)境和姿-軌-柔耦合效應(yīng),無(wú)法完全模擬機(jī)器人空間組裝超大型結(jié)構(gòu)的過(guò)程。本文考慮萬(wàn)有引力梯度力矩、結(jié)構(gòu)的幾何非線性,建立組裝過(guò)程中主結(jié)構(gòu)-空間機(jī)器人-待組裝結(jié)構(gòu)的姿-軌-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和軌跡跟蹤控制,實(shí)現(xiàn)超大型結(jié)構(gòu)的組裝過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真。與現(xiàn)有文獻(xiàn)不同的是,本文的動(dòng)力學(xué)仿真能同時(shí)給出組裝過(guò)程的軌道動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)、機(jī)器人控制力矩與關(guān)節(jié)誤差、笛卡爾空間的組裝誤差等豐富的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),為組裝過(guò)程研究提供有價(jià)值的參考。
本章以主結(jié)構(gòu)-空間機(jī)器人-待組裝結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立姿-軌-柔耦合的動(dòng)力學(xué)方程。組裝系統(tǒng)如圖1 所示,其中1~7 為機(jī)械臂連桿,為機(jī)械臂關(guān)節(jié)點(diǎn),點(diǎn)與點(diǎn)為機(jī)械臂末端抓取點(diǎn)。主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)是空間太陽(yáng)能電站的支撐桁架結(jié)構(gòu),在此簡(jiǎn)化為歐拉-伯努利梁。由于結(jié)構(gòu)尺寸較大,在組裝過(guò)程中可能出現(xiàn)較大的變形,所以采用絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法描述。相比而言,空間機(jī)器人的尺寸較小、剛度較大,因此將其簡(jiǎn)化為多剛體系統(tǒng),采用自然坐標(biāo)法描述。組裝系統(tǒng)的質(zhì)量和幾何參數(shù)見(jiàn)表1~表2。
圖1 空間組裝系統(tǒng)Fig.1 Space assembly system
表1 空間機(jī)器人的參數(shù)Tab.1 Parameters of the space robot
表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Parameters of the structures
為了研究組裝過(guò)程中主要的動(dòng)力學(xué)特性,在本文中作以下幾點(diǎn)假設(shè):1)只研究系統(tǒng)在軌道平面的運(yùn)動(dòng),從而大幅降低模型復(fù)雜度,節(jié)省動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)間;2)僅考慮萬(wàn)有引力和引力梯度,忽略其他空間攝動(dòng)力/力矩的影響;3)假設(shè)空間機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)的抓捕,只研究主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)在空間機(jī)器人控制作用下相互靠近的過(guò)程,忽略關(guān)節(jié)柔性、摩擦等非線性因素。
空間機(jī)器人由7 個(gè)剛體構(gòu)成,采用自然坐標(biāo)法進(jìn)行剛體的動(dòng)力學(xué)建模。平面剛體的自然坐標(biāo)法采用剛體上2 個(gè)點(diǎn)的位置矢量和固連于剛體上的單位矢量來(lái)描述剛體。本文選取的空間機(jī)器人廣義坐標(biāo)為
式中:v為剛體上與軸線垂直的單位矢量,如圖2所示。
圖2 剛體AB 的自然坐標(biāo)描述Fig.2 Natural coordinates of the rigid body AB
由于空間機(jī)器人只有9 個(gè)自由度,式(1)擁有30個(gè)廣義坐標(biāo),因此有21 個(gè)約束:
式中:r和r為剛體的左端點(diǎn)和右端點(diǎn)的位置矢量,例 如和分別 為r和r;為各 剛體的 長(zhǎng)度。
式(2)也可以縮寫(xiě)為
主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)均采用絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法進(jìn)行建模,采用一維二節(jié)點(diǎn)歐拉-伯努利梁?jiǎn)卧M(jìn)行離散。這種絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法單元具有2 個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有4 個(gè)廣義坐標(biāo),因此單元具有8個(gè)廣義坐標(biāo):
廣義坐標(biāo)中的元素具體定義為
式中:為單元內(nèi)的局部坐標(biāo);為單元的長(zhǎng)度。
對(duì)于主結(jié)構(gòu)-空間機(jī)器人-待組裝結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng),廣義坐標(biāo)為
式 中:q∈R和q∈R分別為主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)的廣義坐標(biāo);n和n分別為和的單元數(shù)。
根據(jù)約束Hamilton 變分原理,系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為
式中:為質(zhì)量矩陣;為廣義動(dòng)量;為勢(shì)能;為廣義外力向量;為L(zhǎng)agrange 乘子。
系統(tǒng)的又可以表示為
式中:、、分別為機(jī)器人、主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)的萬(wàn)有引力勢(shì)能;和分別為主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)的彈性勢(shì)能。
系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣可由機(jī)器人、主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣組裝而成。由于自然坐標(biāo)法和絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法在現(xiàn)有文獻(xiàn)[18]中已有較多研究,本文主要給出自然坐標(biāo)法和絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的萬(wàn)有引力及其梯度表達(dá)式。
基于微元法的思想,剛體或柔性體單元上任意一個(gè)質(zhì)量元(位置矢量為)的萬(wàn)有引力勢(shì)能為
因此,剛體或柔性體的萬(wàn)有引力勢(shì)能可通過(guò)體積積分表示為
式(10)中的被積函數(shù)是非線性函數(shù),無(wú)法直接獲得體積積分的解析表達(dá)式。為此,將被積函數(shù)在剛體或單元的質(zhì)心處作二階Taylor 級(jí)數(shù)展開(kāi),得
整理得
式中:被積函數(shù)為位置矢量的二次函數(shù),可分為3部分分別積分。第1 部分的被積函數(shù)是常數(shù),體積積分是剛體或單元質(zhì)量的表達(dá)式;第2 部分的被積函數(shù)是的線性函數(shù),體積積分是剛體或單元質(zhì)心的表達(dá)式;第3 部分是的二次型,體積積分可得到慣性矩陣的表達(dá)式。
由于式(12)保留了Taylor 展開(kāi)的2 階項(xiàng),所以最終的動(dòng)力學(xué)方程中不僅包含剛體或柔性體單元的萬(wàn)有引力,還包含萬(wàn)有引力梯度。
為了描述空間機(jī)器人與主結(jié)構(gòu)/待組裝結(jié)構(gòu)之間的抓捕關(guān)系,本文將位置重合、相互垂直的抓捕關(guān)系等效為直線與扭轉(zhuǎn)的線性彈簧-阻尼系統(tǒng),彈性系數(shù)取為10,阻尼系數(shù)取為10。
本章給出空間機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和軌跡跟蹤控制方法,使主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)相互靠近,直至對(duì)接。為了描述空間機(jī)器人的軌跡,建立局部坐標(biāo)系,軸指向初始時(shí)刻點(diǎn),姿態(tài)角為,如圖3 所示。組裝過(guò)程中坐標(biāo)系的保持不變,而不總是指向點(diǎn)?!ⅰ珵殛P(guān)節(jié)角度,為從軸到直線的角度。
圖3 空間機(jī)器人關(guān)節(jié)角度Fig.3 Joint angle of the space robot
對(duì)點(diǎn)在坐標(biāo)系的軌跡進(jìn)行規(guī)劃。點(diǎn)始終在軸上沿軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng),且和始終垂直于軸。為滿足初末時(shí)刻的相對(duì)速度和加速度要求,采用五次多項(xiàng)式對(duì)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行如下規(guī)劃:
本文考慮初末時(shí)刻的相對(duì)速度和相對(duì)加速度均為0 的情形,則初末時(shí)刻的條件為
式中:為組裝末時(shí)刻。
將式(13)代入式(14)得
通過(guò)上述軌跡規(guī)劃已經(jīng)得到點(diǎn)的軌跡,根據(jù)幾何關(guān)系可得到機(jī)械臂系統(tǒng)關(guān)節(jié)角度~的軌跡規(guī)劃曲線。
幾何關(guān)系包括3 方面:1)空間機(jī)器人在組裝過(guò)程中始終保持對(duì)稱構(gòu)型;2)點(diǎn)的坐標(biāo)x由式(13)計(jì)算;3)空間機(jī)器人的質(zhì)心的坐標(biāo)在組裝過(guò)程中保持不變(本文選為=6 m)。
于是有
式中:、、為機(jī)械臂2、3、4 的長(zhǎng)度。
得到關(guān)節(jié)空間的軌跡后,采用PD 控制方法對(duì)軌跡進(jìn)行跟蹤控制。
在本文的數(shù)值仿真中,假設(shè)安裝階段的時(shí)間為=300 s,給定x=18 m、=6 m,從而得到安裝階段的軌跡規(guī)劃結(jié)果,如圖4 所示(始終為0,、、分別與、、重合)。
圖4 空間機(jī)器人關(guān)節(jié)角度變化Fig.4 Variations of the joint angles θp(p=1,2,3,4,5,6,7)of the space robot
本章對(duì)空間組裝過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。為研究萬(wàn)有引力與引力梯度對(duì)組裝過(guò)程的影響,數(shù)值仿真分為4 種情形,見(jiàn)表3。
表3 數(shù)值仿真的三種情形Tab.3 Three cases for the numerical simulations
情形2 和情形3 系統(tǒng)初始位于半徑為7 137 km的圓形軌道,軌道周期為6 000 s,組裝系統(tǒng)的初始姿態(tài)角分別為0°和45°。情形2 和情形3 考慮了萬(wàn)有引力的影響,因此考慮了軌道-姿態(tài)-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)。由于情形2 的姿態(tài)角為0°,所以基本上不受萬(wàn)有引力梯度力矩的影響。作為對(duì)比,情形1 不考慮萬(wàn)有引力、萬(wàn)有引力梯度與軌道-姿態(tài)-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)的影響,是現(xiàn)有文獻(xiàn)普遍采用的方式。3 種情形主結(jié)構(gòu)與待組裝模塊初始未變形,仿真分析時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s。
如圖5~圖6 所示,情形2 和情形3 由于沒(méi)有考慮軌道攝動(dòng)的影響,系統(tǒng)的軌道離心率和長(zhǎng)半軸的變化量非常小,符合軌道動(dòng)力學(xué)特性,驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)仿真的有效性。由于情形1 沒(méi)有考慮軌道與姿態(tài),所以不存在離心率與半長(zhǎng)軸。
圖5 離心率變化Fig.5 Variations of the eccentricity e
圖6 長(zhǎng)半軸變化Fig.6 Variations of the semi-major axis a
主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)的姿態(tài)角變化曲線如圖7所示。由圖可知,情形1 的組裝過(guò)程由于沒(méi)有考慮萬(wàn)有引力與引力梯度的影響,主結(jié)構(gòu)與待組裝結(jié)構(gòu)姿態(tài)角變化極小,最大值僅為(1.24×10)°。雖然情形2 選擇了穩(wěn)定的姿態(tài)角0°進(jìn)行組裝,但由于組裝過(guò)程整個(gè)組裝系統(tǒng)在繞地球轉(zhuǎn)動(dòng),因此組裝過(guò)程結(jié)構(gòu)受柯氏力的影響,在姿態(tài)控制系統(tǒng)作用下仍然出現(xiàn)了(5.18×10)°的小幅姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。情形3 的初始姿態(tài)角為45°,在萬(wàn)有引力梯度和科氏力的共同影響下,姿態(tài)角出現(xiàn)了明顯的變化,達(dá)到了0.01°,對(duì)組裝精度造成顯著影響。
圖7 姿態(tài)角變化Fig.7 Variations of the attitude angle β
空間機(jī)器人關(guān)節(jié)角度誤差曲線和控制力矩曲線如圖8~圖9 所示。由圖可知,情形1 到情形3 的關(guān)節(jié)角度誤差依次增加,情形1 的關(guān)節(jié)角度誤差最大為(6.31×10)°,情形2 為(1.02×10)°,情形3為(1.21×10)°。在考慮萬(wàn)有引力梯度與軌道-姿態(tài)-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)以后,情形2 和情形3 的關(guān)節(jié)角度誤差不再像情形1 那樣呈現(xiàn)對(duì)稱變化。在控制力矩方面,由于不受萬(wàn)有引力梯度和科氏力的影響,情形1 的空間機(jī)器人控制力矩最大值為29.0 N·m,且始終為0。在考慮萬(wàn)有引力梯度與科氏力的影響后,情形2 的最大控制力矩為47.6 N·m,情形3 的最大控制力矩為57.7 N·m,且在空間組裝過(guò)程中,不同關(guān)節(jié)的控制力矩曲線隨時(shí)間的變化趨勢(shì)不同。由此可見(jiàn),萬(wàn)有引力梯度和科氏力對(duì)組裝過(guò)程控制力矩的影響非常大。
圖8 空間機(jī)器人關(guān)節(jié)角度誤差Fig.8 Joint angle error of the space robot eA
圖9 空間機(jī)器人控制力矩Fig.9 Control moment of the space robot M
點(diǎn)在坐標(biāo)系的坐標(biāo),如圖10~圖11 所示。由圖可知,組裝過(guò)程主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)在方向按軌跡規(guī)劃的五次函數(shù)平滑靠近,最終對(duì)接時(shí)相對(duì)速度幾乎為0,能較好地避免組裝過(guò)程的碰撞。對(duì)于點(diǎn)的坐標(biāo),本文在軌跡規(guī)劃時(shí)要求空間機(jī)器人質(zhì)心在方向保持不變。由圖可知,情形1 的y變化量小于4.29×10m。對(duì)于情形2 和情形3,由于萬(wàn)有引力梯度和軌道-姿態(tài)-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)的作用,y的變化量分別為0.001 7 m 和0.004 4 m。由于y基本可以反映組裝精度,因此萬(wàn)有引力梯度和軌道-姿態(tài)-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)對(duì)組裝精度造成顯著影響。
圖10 點(diǎn)H 的x 坐標(biāo)Fig.10 The x coordinates of Point H
圖11 點(diǎn)H 的y坐標(biāo)Fig.11 The y coordinates of Point H
組裝過(guò)程主結(jié)構(gòu)和待組裝結(jié)構(gòu)的振動(dòng)如圖12所示。由圖可知,情形1 組裝過(guò)程中的最大結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值僅為6.81×10m。對(duì)于情形2,雖然姿態(tài)角為0°,萬(wàn)有引力梯度的影響可以忽略,科氏力仍然引起小幅結(jié)構(gòu)振動(dòng),最大幅值為0.004 6 m。對(duì)于情形3,在萬(wàn)有引力梯度和科氏力的影響下,結(jié)構(gòu)振動(dòng)為0.008 8 m。
圖12 組裝模塊結(jié)構(gòu)振動(dòng)Fig.12 Structural vibrations of the assembled modules
本文針對(duì)空間機(jī)器人組裝超大型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)題,基于自然坐標(biāo)法和絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法,建立了主結(jié)構(gòu)-空間機(jī)器人-待組裝結(jié)構(gòu)復(fù)合系統(tǒng)的姿-軌-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型,研究了萬(wàn)有引力梯度和姿-軌-柔耦合效應(yīng)對(duì)組裝過(guò)程的影響。由于系統(tǒng)繞地球進(jìn)行軌道運(yùn)動(dòng),組裝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生科氏力。通過(guò)數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn),對(duì)于超大型結(jié)構(gòu),萬(wàn)有引力梯度和組裝過(guò)程的科氏力使空間機(jī)器人的控制力矩大幅增加,且對(duì)組裝精度產(chǎn)生顯著影響。因此,在超大型結(jié)構(gòu)的組裝過(guò)程中,必須考慮萬(wàn)有引力梯度等空間攝動(dòng)和軌道-姿態(tài)-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)的影響。