基于被动式伸缩臂杆的SSRMS构型可重构空间机械臂重构控制策略

doi:10.3901/JME.260218

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (9): 26-41.doi: 10.3901/JME.260218

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基于被动式伸缩臂杆的SSRMS构型可重构空间机械臂重构控制策略

赵智远^1,2,3, 赵京东⁴, 杨晓航⁴, 梁西昌^1,2,3, 王传英^3,5, 万熠^1,2,3

1. 山东大学机械工程学院济南 250061;
2. 高效洁净机械制造教育部重点实验室济南 250061;
3. 金属成形高端装备与先进技术全国重点实验室济南 250061;
4. 哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室哈尔滨 150001;
5. 济南二机床集团有限公司济南 250022

收稿日期:2025-09-18 修回日期:2025-12-25 发布日期:2026-07-08
作者简介:赵智远，男，1994年出生，博士后。主要研究方向为空间机器人的运动学、动力学与控制技术。E-mail：zhaozyjldx@126.com;赵京东，男，1977年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为空间机器人技术、生机电一体化技术。E-mail：zhaojingdong@hit.edu.cn;万熠(通信作者)，男，1977年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为特种机器人技术、先进加工理论与制造技术。E-mail：wanyi@sdu.edu.cn
基金资助:
山东省重点研发计划(重大科技创新工程)(2025CXGC010701,2025CXGC010807)、机器人技术与系统全国重点实验室开放基金(SKLRS-2026-KF-01)和山东省自然科学基金(ZR2023QE118)资助项目。

Reconfiguration Control Strategy for SSRMS-type Reconfigurable Space Manipulator Based on Passive Telescopic Links

ZHAO Zhiyuan^1,2,3, ZHAO Jingdong⁴, YANG Xiaohang⁴, LIANG Xichang^1,2,3, WANG Chuanying^3,5, WAN Yi^1,2,3

1. School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061;
2. Key Laboratory of High-efficiency and Clean Mechanical Manufacture of Ministry of Education, Jinan 250061;
3. National Key Laboratory of High-end Equipment and Advanced Technology in Metal Processing, Jinan 250061;
4. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001;
5. JIER Machine-Tool Group Co., Ltd., Jinan 250022

Received:2025-09-18 Revised:2025-12-25 Published:2026-07-08

摘要/Abstract

摘要： 基于被动式伸缩臂杆的SSRMS构型可重构空间机械臂，可通过调整两个伸缩臂杆的长度改变自身尺度，在继承传统SSRMS构型空间机械臂优点的同时，具备尺度可重构性，有望在未来在轨任务中扮演重要角色。然而，由于伸缩臂杆采用被动式伸缩方案，导致机械臂重构操作控制器设计困难。为此，提出了一种具有奇异鲁棒性的关节力矩优化控制方法，以实现机械臂重构操作的精准控制。首先，采用基于映射投影算子的动力学建模方法推导得到了机械臂在重构操作模式下的动力学方程。基于此，设计了一种基于李亚普诺夫的控制器，通过仅向主动式旋转关节发送驱动力矩指令，可使得释放的被动式伸缩臂杆实现期望的运动，进而实现机械臂的重构操作。同时，该控制器能确保主动式关节驱动力矩的最小化以及在释放的被动式伸缩臂杆处不产生任何驱动力。接着，在控制器中引入了运动约束方程中投影矩阵子矩阵的阻尼最小二乘逆，使其具备了奇异鲁棒性。最后，开展了可重构操作控制仿真验证，结果表明所提方法适用于SSRMS构型可重构空间机械臂的精准重构控制任务。

关键词: 空间机械臂, 可重构, 动力学建模, 关节力矩优化, 奇异鲁棒性控制

Abstract: The SSRMS-type reconfigurable space manipulator, based on passive telescopic links, can alter its scale by adjusting the lengths of two telescopic links. While inheriting the advantages of traditional SSRMS-type space manipulators, it possesses the capability of scale reconfigurability and is expected to play a significant role in future on-orbit missions. However, the passive telescoping scheme employed in its telescopic links poses challenges for the design of the reconfiguration operation controller. To address this, a joint torque optimization control method with singularity robustness is proposed to achieve precise control over the manipulator's reconfiguration operations. Firstly, the dynamic equations of the manipulator in reconfiguration operation mode are derived by employing a mapping projection operator-based dynamics modeling approach. Based on this, a Lyapunov-based controller is designed using the concept of linear projection operators. By sending drive torque commands solely to the active rotational joints, the released passive telescopic links can achieve the desired motion, thereby enabling the reconfiguration operation of the manipulator. Meanwhile, the controller ensures the minimization of active joint drive torques and the absence of any driving force at the released passive telescopic links. Subsequently, the damping least-squares inverse of the submatrix of the projection matrix in the motion constraint equation is introduced into the controller, endowing it with singularity robustness. Finally, simulation verification of reconfigurable operation control is conducted, and the results demonstrate that the proposed method is suitable for precise reconfiguration control tasks of the SSRMS-type reconfigurable space manipulator.

Key words: space manipulator, reconfigurable, dynamic modeling, joint torque optimization, singularity-robust control

中图分类号:

TP242

赵智远, 赵京东, 杨晓航, 梁西昌, 王传英, 万熠. 基于被动式伸缩臂杆的SSRMS构型可重构空间机械臂重构控制策略[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 26-41.

ZHAO Zhiyuan, ZHAO Jingdong, YANG Xiaohang, LIANG Xichang, WANG Chuanying, WAN Yi. Reconfiguration Control Strategy for SSRMS-type Reconfigurable Space Manipulator Based on Passive Telescopic Links[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(9): 26-41.

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Reconfiguration Control Strategy for SSRMS-type Reconfigurable Space Manipulator Based on Passive Telescopic Links

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