空间机械臂抓取过程半物理(HIL)仿真是地面模拟空间机械臂抓取过程,研究不同形式机械臂的抓取特性和对接初始条件等问题的重要手段。空间机械臂抓取过程半物理仿真系统由对接动力学模型和HIL仿真系统实物组成。研究抓取过程HIL仿真系统特性、探究提高系统模拟能力的方法是保证系统准确模拟抓取过程的关键。而基于机器人位置内环控制和力外环控制的形式使HIL仿真系统成为一个模型复杂、强耦合、存在许多不确定性和未知性的复杂系统;同时,空间机械臂抓取过程由捕获阶段、拖动阶段、姿态校正阶段和缓冲阶段组成,不同阶段具有不同的特点;使HIL仿真系统建模、分析、控制和补偿方法等关键技术的研究变得困难。对此,本文从以下几个方面进行研究:设计空间机械臂抓取过程HIL仿真系统。针对研究目的和要求,采用集中参数法的建模思想,将机械臂等效为六自由度质量-弹簧-阻尼系统,建立空间机械臂对接动力学模型。综合对接动力学模型、并联机器人模型和接触模型建立空间机械臂抓取过程HIL仿真系统模型。从系统参数配置关系、系统稳定条件和对接动力学频率模拟能力三个重要方面分析HIL仿真系统的特性,得到系统满足稳定性和模拟精度的关键结论。抓取过程中要求并联机器人具有较快的响应速度或较大的频宽以提高HIL仿真系统的稳定性和模拟精度。而抓取过程中并联机器人受力复杂且驱动系统参数时变,通常的基于模型的控制器较难设计。对此,提出设计基于无模型的模糊增量控制器应用在并联机器人控制中;其具有万能逼近特性,可以自行组织并联机器人支腿的速度和位置信息,由设计的隶属度函数和控制规则动态调节控制器的输出。与传统的控制方法相比,验证提出的控制策略对减小并联机器人动态响应延迟、提高HIL仿真系统模拟能力的有效性和优越性。HIL仿真系统中的两个力失真问题严重影响系统特性。1)力传感器测量延迟:提出基于Smith预测的力测量延迟补偿方法。该方法集成了一阶相位补偿模型和Smith预测模型,可有效补偿对接动力学频率范围内测量力的相位和幅值偏差;2)并联机器人动态响应延迟导致的接触力偏差:并联机器人动态响应延迟和并联机器人频宽与对接动力学频率的限制条件经常使系统不稳定或产生精度损失。为实现拖动阶段等过程的有效模拟,提出一种基于三自由度刚度-阻尼在线辨识的力和力矩补偿方法。考虑多自由度接触参数的时变特性,对三个互相垂直方向的刚度和阻尼进行在线辨识;建立六自由度力和力矩补偿模型用于补偿并联机器人动态响应延迟导致的接触力和力矩偏差,使用于对接动力学计算的力和力矩不受到延迟的影响。在并联机器人延迟较大或频宽较小的影响下,保证高接触刚度、高频运动的拖动阶段等过程的准确模拟。抓取的姿态校正阶段和缓冲阶段,当接触刚度很大时,由于存在延迟,机械臂为数学模型的HIL仿真系统会因为对接机构的接触刚度过大而不稳定。针对高刚度接触情况,提出将机械臂等效为六维弹簧实物模拟机械臂抓取过程的方法。将柔性机械臂刚度引入到物理接触环节中以降低系统的串联刚度,提升系统的稳定性,实现抓取过程模拟。建立HIL仿真系统模型并全面分析系统特性,得到系统满足稳定性和模拟精度的关键结论。针对多刚度-多阻尼-单质量的接触环境,提出基于过程参数在线辨识的离散域力补偿方法用于补偿并联机器人动态响应延迟导致的力偏差,改善HIL仿真系统特性并提高系统模拟能力。当机械臂刚度和接触刚度均较大时,机械臂等效为六维弹簧实物的HIL仿真系统在模拟抓取的缓冲阶段时仍会因为高刚度、低阻尼接触而不稳定。对此,提出用主动柔顺力控制方法模拟缓冲阶段。而接触环境中的二阶振荡环节和参数时变特性会严重影响力控制系统的稳定性和频宽;同时,系统中的噪声和并联机器人模型的不确定性也影响力控制特性。对此,提出采用μ理论设计鲁棒控制器应用在缓冲阶段力控制系统中,以提高力控制系统的鲁棒稳定性、频宽和抗干扰特性,实现缓冲阶段的有效模拟。