空间机器人加注机构碰撞力建模与柔顺控制

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1、２０１５年８月中国空间科学技术１第４期ChineseSpaceScienceandTechnology空间机器人加注机构碰撞力建模与柔顺控制１，２１，２１，２张海博王大轶魏春岭（１北京控制工程研究所，北京１００１９０）（２空间智能控制技术重点实验室，北京１００１９０）摘要为削弱在轨加注过程中主被动端碰撞冲击对空间机器人的影响，提出了基于力／位混合的柔顺控制律。首先通过第二类拉格朗日方程建立了漂浮基座空间机器人一般运动学模型和考虑环境接触的动力学模型。其次，设计了“杆‐锥式”加注主被动端装置，根据主被动端的接触特点，建立了点面接触的碰撞动力学模型，并给出相应的碰撞力计算方法。接着

2、，将加注对接问题转化为以基座为参考系的末端运动控制问题，得到了机械臂关节期望运动规律，进而设计了位置环控制律；根据加注主被动端的位置关系计算得到碰撞力，进而设计了力／力矩环控制律，结合顺应选择矩阵最终得到力／位混合控制器，以减小杆锥对接时碰撞对空间机器人基座及末端的冲击影响。最后，仿真结果表明，对接方向的位置误差由初始值降至零，对接过程碰撞产生的力不超过１０N，满足末端工具冲击承载。各关节角度变化平缓，关节力矩不超过１３Nm，满足机械臂关节力矩最小承载，所设计的控制器使得加注主被动端完成柔顺对接。关键词在轨加注；杆‐锥式模型；碰撞模型；碰撞力；力／位混合控制；空间机器人DOI：

3、１０畅３７８０／j畅issn畅１０００‐７５８X畅２０１５畅０４畅００１１引言目前在轨或在研的地球同步轨道通信卫星的寿命主要取决于携带的用于轨道保持和姿态控制的推进剂的多少，一旦推进剂耗尽，航天器就失去控制而失效。对于高价值的航天器来说，失效会造成很［１］大的经济损失。在轨推进剂补给能有效延长航天器的在轨使用寿命，并能够节省空间任务成本。正因为如此，利用空间机器人携带空间操作结构对目标航天器进行在轨推进剂补给已成为各国航天技术［２］研究的主要方向之一。美国、俄罗斯及欧洲航天局目前已开展了大量的工作。尤其是美国，在［３］２００７年通过轨道快车计划完成了肼燃料的在轨补给，２０１２年

4、又联合加拿大航天局在国际空间站上相继完成了机器人燃料加注任务技术演示验证的三项重要试验。我国近年来也开展了空间机器人在轨服务技术的研究，取得了一定的成果，并进行了空间机器人在轨加注的地面物理试验。力／位混合控制是一种直观且概念清晰的柔顺控制方法，它将机械臂末端坐标空间分解成对应于位控方向和力控方向的两个正交子空间，在相应的子空间分别进行位置控制和接触力控制以达到柔顺控制的目的。针对在轨替换单元装配过程，文献［４］提出了一种改进的力位混合控制方法，采用加权选择矩阵代替经典力／位混合控制中原有的选择矩阵，实现了位置、力混合控制的平滑切换。在避免碰撞力过大而损坏设备方面，阻抗控制也是

5、常用到的柔顺控制方法之一，文献［５］中提出了阻抗控制用来处理机械臂和环境的动力学耦合；文献［６‐７］研究了空间机器人和非合作目标星之间重点实验室基金（９１４０C５９０２０２１４０C５９０１５）资助项目收稿日期：２０１５‐０４‐１４。收修改稿日期：２０１５‐０５‐１９２中国空间科学技术２０１５年８月的接触运动，利用阻抗匹配法给出了始终接触目标和推离目标两者之间的标准，通过两个机械臂模拟服务星和目标星来进行地面试验。文献［８］研究了空间站大臂舱段转移对接过程中的阻抗控制。文献［６‐８］中将接触力动力学看作作用在机械臂末端上的脉冲力，然而，实际中碰撞接触模型更加复杂。文献［９］分析了

6、机械臂抓捕目标的碰撞动力学及运动学模型。文献［１０‐１１］建立了基于Simulink的卫星对接仿真器，可以模拟接触力的特性，诸如冲击、弹跳、滑动、旋转、粘滞和阻滞。文献［１２］利用仿真器验证了微重力接触动力学。文献［１３］提出了捕获过程中减小冲击效应的算法。文献［１４］研究了空间机器人应用方面的接触动力学。根据已知的几何和末端执行器，以及抓捕装置的状态可估计接触力的方向，利用估计的接触力和目标运动的观测值得到优化的捕获时间和位置，这使得捕获时物理接触对操作平台姿态的影响最小。虽然文献［９‐１４］中详细分析了机械臂末端与目标复杂的碰撞过程，但是没有给出合适的控制律来保证碰撞过程的

7、柔顺接触，仅从机械臂抓捕构型的角度给出了抓捕碰撞力最小的抓捕构型。本文针对空间机器人在轨加注任务，建立机械臂末端加注主动端与被动端碰撞模型，提出一种基于力／位混合控制的柔顺捕获方法。该方法对空间在轨加注任务的实施具有一定的工程借鉴意义。２空间机器人运动模型空间机器人由作为基座的航天器平台及n自由度串联机械臂组成，机械臂末端可更换不同的操作工具以完成特定的空间操作任务。空间机器人一般模型如图１所示。图１中的符号定义如下：∑I为惯性坐标系，∑０为本体坐标系，∑i为与关节i固联的坐标系（i＝１，２