一种空间双臂机器人协同抓捕目标的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种空间双臂机器人抓捕目标的协同控制方法，包括：建立空间双臂机器人基座和机器人的独立动力学模型；根据空间机器人基座零距离停靠控制方法，控制两个飞行器的相对位置和视线指向；机械臂基于视觉伺服的协同规划与控制方法使两个机械臂同时到达目标；空间机器人的动力学与运动学耦合补偿方法，利用相对导航信息估计基座与目标相对运动的耦合，补偿机械臂的运动，同时利用机械臂的状态估算对平台的反作用力，作为前馈补偿基座控制。本发明专利技术针对空间双臂机器人抓捕问题，提供一种抓捕翻滚目标的协同控制方法，保证双臂对目标抓捕的时间一致性，再通过基座和两个机械臂的互相补偿，达到高精度抓捕的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种空间双臂机器人协同抓捕目标的控制方法
本专利技术属于空间机器人
，尤其涉及一种空间双臂机器人协同抓捕目标的控制方法。
技术介绍
随着空间技术的发展，飞行器的能力越来越强，在轨维护和服务也逐渐成为发展的主流方向。另一方面，大量失效卫星由于没有及时离轨而成为空间碎片，占据这宝贵的空间轨道资源。空间机器人，指携带操作机械臂的空间服务飞行器，对目标的抓捕主要分为两类：一是针对非合作目标进行抓捕，这类目标没有视觉测量的标志器和适应机械臂抓捕工具的适配器，由于失控、燃料泄漏、空间摄动力的影响，通常目标可能具有自旋、章动等运动特性，此类抓捕难度较大；二是针对合作目标进行抓捕，由于事先设计可以配置的标志器和适配器，并且目标星具有可控性，能保持较好的姿态稳定度，此类抓捕难度相对较小。研究如何利用空间机器人抓捕稳定或翻滚的航天器是在轨服务技术的关键问题。由于目标的运动特性复杂，在抓捕过程中需要克服两个飞行器之间的相对速度和角速度差造成的动量交换，减小对机械臂的冲击力，可以采用两套或多套机械臂协同控制的方式实施抓捕，发挥多机械臂组合的能力。
技术实现思路
本专利技术针对空间双臂机器人抓捕问题，提供一种抓捕翻滚目标的协同控制方法，保证双臂对目标抓捕的时间一致性，再通过基座和两个机械臂的互相补偿，达到高精度抓捕的目的。为了达到上述目的，本专利技术公开了以下技术方案予以实现，一种空间双臂机器人协同抓捕目标的控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立空间双臂机器人动力学控制方程；步骤2，空间机器人基座零距离停靠控制方法；步骤3，机械臂采用基于视觉伺服的协同规划与控制方法使两个机械臂同时到达目标抓捕位置；步骤4，利用相对导航信息估计基座与目标相对运动的耦合，补偿机械臂的运动，同时利用机械臂的状态估算对平台的反作用力，作为前馈补偿基座控制。进一步，在上述空间双臂机器人协同抓捕控制方法中，所述步骤1，空间双臂机械臂动力学控制方程，包含两部分：空间双臂机器人基座动力学和机械臂动力学方程。其中基座动力学方程，经过适当的简化，，忽略高阶耦合项，得到如下：J为空间机器人系统的惯量矩阵，M为空间机器人系统的质量，Tc为基座姿控系统产生的控制力矩，Td1和Td2分别为两套机械臂运动对基座的耦合作用力矩。Fc为基座轨控系统产生的位置控制力，Fd1和Fd2分别为两套机械臂运动对基座的耦合作用力矩。机械臂动力学方程，为机械臂关节运动与关节力和力矩的动力学方程：其中，H为机械臂的惯性矩阵，为机械臂的非线性项，τ为机械臂各个关节的力矩。在上述空间双臂机器人协同抓捕控制方法中，所述步骤2，空间机器人基座零距离停靠控制方法，包含两部分：基座位置相对位置控制律和基座相对姿态控制律。相对位置控制律如下：其中，Fcx,Fcy,Fcz分别为三轴控制力矩，Kopx,Kopy,Kopz和Kodx,Kody,Kodz为三轴为轨道控制PD参数，X0为基座相对目标悬停的标称距离，ΔX，ΔY，ΔZ为基座质心与目标的相对位置。相对姿态控制采用：其中，Tcx,Tcy,Tcz分别为三轴控制力矩，Kapx,Kapy,Kapz和Kadx,Kady,Kadz为三轴姿态控制PD参数，γ0为基座与目标的相对滚动角期望值，Δγ为基座与目标的相对滚动角测量值，Δθ，Δψ为基座与目标相对视线的高低角和方位角。在上述空间双臂机器人协同抓捕控制方法中，所述步骤3，机械臂采用基于视觉伺服的协同规划与接近控制方法，包含两部分：基于视觉伺服的协同规划和基于视觉伺服的接近控制方法。步骤3.1，基于视觉伺服的协同规划，采用基于驱动函数的路径规划，利用驱动函数D(λ)参数化期望的相对运动。驱动函数D(λ)是归一化时间λ的函数，进而得到时间序列下的相对希望位姿转移矩阵：其中为初始时刻机械臂末端到目标抓捕点相对位姿的齐次矩阵，驱动函数D(λ)采用梯形规划，根据最大速度约束和时间约束得到梯形曲线的参数，两套机械臂采用相同的驱动函数，从而保证不同初始位姿下到达目标的时间一致性。对于姿态和位置分别进行计算。考虑到相对姿态的欧拉角可能存在奇异的情况，采用四元数描述法来进行计算：其中，q0为机械臂末端与目标的初始相对姿态四元数，q1为目标姿态四元数。q(t)和分别为当前期望的姿态四元数和四元数速度。和分别为归一化驱动函数位置和速度。同理可以得到期望的相对位置轨迹，p(t)和根据q(t)、和p(t)、可以得到期望的相对位姿转移矩阵和速度的时间序列：需要说明的是，对于两套机械臂，机械臂末端相对目标的初始位姿是不同的，采用相同的驱动函数和相同计算步骤分别计算相对位姿转移矩阵时间序列期望速度时间序列vref。步骤3.2，基于视觉伺服的接近控制方法，采用基于方向余弦阵的相对姿态控制律和相对位置控制方法。其中ΔR为3×3的矩阵，表示机械臂末端轨迹与期望轨迹的误差，为的左上三角矩阵，为相对测量系统计算的机械臂末端到目标的相对姿态矩阵。对于姿态跟踪控制，ΔAx＝KApx·(ΔR(3,2)-ΔR(2,3))ΔAy＝KApy·(ΔR(1,3)-ΔR(3,1))ΔAz＝KApz·(ΔR(2,1)-ΔR(1,2))对于位置跟踪控制，Δpx＝Kpx·(Δrx)Δpy＝Kpy·(Δry)Δpz＝Kpz·(Δrz)其中rm是相对测量系统计算的机械臂末端到目标的相对位置，是的有第四列位置向量。将姿态和位置控制量合并为6×1的矩阵，即Δx＝[ΔpxΔpyΔpzΔAxΔAyΔAz]T进一步计算关节控制增量其中ΔT为控制周期，Ja为机械臂雅克比矩阵，vref为期望速度，vforword为速度的前馈将在下一个步骤中计算。基于式(2)，进一步得到qd＝Δq+qt其中qt为当前的关节角度，qd机械臂关节的运动位置指令。在上述空间双臂机器人协同抓捕控制方法中，所述步骤4，空间机器人的动力学与运动学耦合补偿方法，包含两部分：一是利用机械臂的状态估算对平台的反作用力，作为前馈补偿基座控制；二是利用相对导航信息估计基座与目标相对运动的耦合，补偿机械臂的运动。具体方法如下：步骤4.1，计算利用机械臂的动力学计算机械臂对基座的反作用力和力矩，作为基座的控制力和力矩的前馈补偿量。步骤4.2，计算基座运动对机械臂的运动学补偿。主要考虑基座到机械臂的位置级和速度级耦合模型，作为机械臂运动补偿的前馈。目标抓捕点到机械臂末端的相对速度计算公式如下：式中，Rsbj为机械臂安装系到基座本体系的坐标转换矩阵。Rst为目标本体系到基座本体的坐标转换矩阵。ωs、ωt分别为基座、目标本体系相对惯性系的角速度；ωj为机械臂安装坐标系相对惯性系的角速度。rst为目标抓捕中心在基座本体系的位置矢量；rs0为机械臂安装位置在基座本体系的位置矢量；r为目标抓被捕点在机械臂末端坐标系的位置矢量；rt1为目标抓捕点相对抓捕中心在在目标本体系的位置矢量。步骤4.3，将步骤4.1计算的动力学前馈补偿量带入式(1)，形成对基座的最终控制量；将步骤4.2计算的运动学补偿量代入式(2)，形成对机械臂控制的最终控制量。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术解决了空间双臂机器人协同抓捕问题，提出了一种协同控制的抓捕方法，包括建立空间双臂机器人和失效旋转目标的动力学和运动学方程；提出了空间机器人基座零距离逼近与停靠控制方法；采用了机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间双臂机器人抓捕协同目标的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立空间双臂机器人基座和机器人的独立动力学模型；2)根据空间机器人基座零距离停靠控制方法，控制两个飞行器相对位置和视线指向；3)机械臂基于视觉伺服的协同规划与控制方法使两个机械臂同时到达目标；4)空间机器人的动力学与运动学耦合补偿方法，利用相对导航信息估计基座与目标相对运动的耦合，补偿机械臂的运动，同时利用机械臂的状态估算对平台的反作用力，作为前馈补偿基座控制。

【技术特征摘要】
1.一种空间双臂机器人抓捕协同目标的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立空间双臂机器人基座和机器人的独立动力学模型；2)根据空间机器人基座零距离停靠控制方法，控制两个飞行器相对位置和视线指向；3)机械臂基于视觉伺服的协同规划与控制方法使两个机械臂同时到达目标；4)空间机器人的动力学与运动学耦合补偿方法，利用相对导航信息估计基座与目标相对运动的耦合，补偿机械臂的运动，同时利用机械臂的状态估算对平台的反作用力，作为前馈补偿基座控制。2.根据权利要求1所述的一种空间双臂机器人协同抓捕目标的控制方法，其特征在于，所述步骤1)的具体方法如下：基座动力学方程，忽略高阶耦合项，如下：其中，J为空间机器人系统的惯量矩阵，M为空间机器人系统的质量，Tc为基座姿控系统产生的控制力矩，Td1和Td2分别为两套机械臂运动对基座的耦合作用力矩；Fc为基座轨控系统产生的位置控制力，Fd1和Fd2分别为两套机械臂运动对基座的耦合作用力矩；机械臂动力学方程，为机械臂关节运动与关节力和力矩的动力学方程：其中，H为机械臂的惯性矩阵，为机械臂的非线性项，τ为机械臂各个关节的力矩。3.根据权利要求2所述的一种空间双臂机器人协同抓捕目标的控制方法，其特征在于，所述步骤2)的具体方法包含基座位置相对位置控制律和基座相对姿态控制律两部分，相对位置控制律如下：其中，Fcx,Fcy,Fcz分别为三轴控制力矩，Kopx,Kopy,Kopz和Kodx,Kody,Kodz为三轴为轨道控制PD参数，X0为基座相对目标悬停的标称距离，ΔX，ΔY，ΔZ为基座质心与目标的相对位置；相对姿态控制采用：其中，Tcx,Tcy,Tcz分别为三轴控制力矩，Kapx,Kapy,Kapz和Kadx,Kady,Kadz为三轴姿态控制PD参数，γ0为基座与目标的相对滚动角期望值，Δγ为基座与目标的相对滚动角测量值，Δθ，Δψ为基座与目标相对视线的高低角和方位角。4.根据权利要求3所述的一种空间双臂机器人协同抓捕目标的控制方法，其特征在于，所述步骤3)采用基于驱动函数的路径规划，利用驱动变换D(λ)参数化期望的相对运动，驱动变换D(λ)是归一化时间λ的函数，进而得到时间序列下的相对希望位姿转移矩阵其中，驱动函数采用梯形规划，根据最大速度约束和时间约束得到梯形曲线的参数；利用驱动函数同时规划两套机械臂的运动期望路径，进而实现基于视觉的接近控制；对于姿态和位置分别进行计算；考虑到相对姿态的欧拉角可能存在奇异的情况，采用四元数描述法来进行计算：其中，q0为机械臂末端与目标的初始相对姿态四元数，q1为目标姿态四元数；q(t)和分别为当前期望的姿态四元数和四元数速度；和分别为归一化驱动函数位置和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈欢龙，沈晓凤，宋斌，王碧，葛卫平，肖余之，何志文，张庆展，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31