一种空间双机械臂系统运动协调控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种空间双机械臂系统运动协调控制方法，属于空间机械臂技术领域，本发明专利技术为了解决目前还没有针对于双机械臂的空间机械臂系统，以及现有的空间机械臂系统未考虑到机械臂与卫星本体间的协调关系，跟踪误差较高的缺点，而提出一种空间双机械臂系统运动协调控制方法。一种空间双机械臂系统运动协调控制方法，包括：构建空间双机械臂系统的运动学方程以及动力学方程；根据机械臂的初始位姿以及末端位姿，对空间双机械臂系统进行轨迹规划；通过PD控制器对空间双机械臂系统轨迹进行跟踪控制。本发明专利技术适用于空间机械臂控制系统。

Motion coordination control method of spatial double manipulator system

The invention relates to a method for controlling a space coordinated motion of dual arm robot system, which belongs to the technical field of space manipulator, the invention solves the problems that there is no space manipulator system for dual arm space robot system, and the existing without considering the coordination between the manipulator and the satellite body, the tracking error is high the shortcomings of proposed method of coordinated control of movement of a double space manipulator system. The motion control method, a double space manipulator system coordination including: Construction of double space manipulator kinematics equations and dynamics equations; according to the initial mechanical arm pose and the pose of the end effector trajectory planning of space manipulator system with double PD controller; tracking control of space manipulator system with double track. The invention is applicable to a space manipulator control system.

【技术实现步骤摘要】
一种空间双机械臂系统运动协调控制方法
本专利技术涉及一种空间双机械臂系统运动协调控制方法，属于空间机械臂

技术介绍
航天科技的发展，极大地改变了人类生活，空间技术的应用领域在近一、二十年中得到了飞速的拓展，除了在空间科学应用方面得到继续深化外，在空间对抗、空间服务等领域也对空间技术提出了新的需求和任务，其中对空间目标的在轨操作、交会对接技术由于在军事和民用领域上的潜在价值，正被各国广泛重视[1]。通过使用空间机械臂系统对空间合作/非合作目标进行操作，包括对发生故障失效的卫星、燃料耗尽寿命终结的卫星等合作/非合作目标实施在轨捕获、元器件更换、燃料加注、助推离轨等操作可极大地延长卫星的使用寿命，大幅节省卫星的研制成本，因而具有极大的应用价值。近年来，各航天大国及科研机构，如欧洲ESA、美国NASA、日本JAXA等通过使用空间机械臂技术对空间合作/非合作目标开展了大量的在轨验证项目。美国开展了“凤凰”计划，其主要目的是通过寻求对现有卫星发射方式、卫星部署方式的突破实现对空间资源的有效的再利用，凤凰计划的服务航天器系统可以利用系统上安装的空间机械臂装置，实现对弃用卫星的可以使用零部件(如天线)重新拆卸组装，达到从新构造卫星的目标，同时在上诉目标完成后具有在轨转移能力[2]。航天大国德国在空间机械臂控制技术进行了多年的核心技术攻关，到目前为止，德国主要的研究项目包括：机器人技术实验、试验服务卫星、空间系统演示验证技术卫星和德国在轨服务计划。欧空局在空间机械臂应用领域的研究成果代表性项目为Jerico机械臂项目与欧洲机械臂项目。但是，应该看到我国对空间机械臂系统在轨操作任务发展上仍然落后于世界其他航天大国。按照在空间项目中的应用，部署在空间的机械臂系统可分为空间单机械臂系统、空间双机械臂系统及多机械臂系统。单臂系统目前研究的内容较多，成果比较深入。与单臂系统相比，双臂空间机器人的操作臂可以同时、独立完成类似单臂空间人的各种操作，协调地执行某一项共同的任务,具有操作精度高、反映速度快、对复杂空间环境的适应性强，能够执行的任务更复杂等优点，因而更受各国的青睐[3]。由于机械臂和平台载体之间存在着运动学和动力学耦合，会给系统本体姿态控制与机械臂系统的运动控制产生干扰，导致对于地面固定基座的机械臂控制技术不能直接应用到空间机械臂系统上，因此必须建立空间机械臂运动学和动力学模型[4]。对于双臂空间机器人系统的动力学建模问题、轨迹规划问题和运动控制问题，如何建立准确、简洁的空间机械臂运动学和动力学模型并实现空间机械臂的高精度运动控制是目前理论和工程问题研究的基础和难点。一、空间机械臂系统运动建模由于难以在地面重现空间应用环境，因此精确地建立空间机械臂系统运动学与动力学模型对系统设计、轨迹规划和控制算法等方面的研究尤为重要，并且有利于对系统运动过程进行更准确的仿真。空间机械臂属于多体系统，由运动基座和臂杆两部分共同组成，因此，适用于其他多体系统的建模方法可同样应用于空间机械臂系统[5]。针对地面机械臂比较成熟的建模方法有牛顿-欧拉方程和拉格朗日方程等，均属于多体系统的建模范畴。而空间机械臂系统强耦合、非线性、时变等特点使得建模问题较地面系统相对复杂，为推动空间机械臂技术的发展，各国学者纷纷针对空间机械臂的运动学与动力学特性，提出了一些极具学习价值的建模方法。Hooker、Margulies、Roberson和Wittenburg等人所提出的牛顿-欧拉法为多体系统的动力学求解问题打下了坚实的基础[4]。他们的共同特点是利用树形拓扑来描述多体系统的开链结构，用系统质心(CenterofMass,CM)表示平移自由度，引入增广体(AugmentedBodies)和增广体质心(Barycenters)概念来简化系统。在Ho、Frisch和Hooker提出的直接路径法中，选取系统中的一个子系统作为基座，用该子系统上的一个点作为坐标系的原点以表达系统的平移自由度，这种方法简单明了，但是存在一定的耦合[4]。美国学者Z.Vafa和S.Dubowsky在假设空间机械臂系统不受外力或外力矩作用的情况下，提出了虚拟臂VM(VirtualManipulator)的建模方法[6]，即当系统质心的位置不变时，描述空间机械臂系统的几何结构，VM方法的理论基础为动量守恒定理。VM是理想状况下虚拟的一条运动链，将真实空间机械臂系统质心选为该运动链的虚拟基座，由于在空间微重力环境下，质心的位置保持不变，因此适用于地面机械臂的控制方法同样也可以应用到VM上。然而，该方法只能描述空间机械臂系统的运动学模型。日本学者Y.Umetani和K.Yoshida根据动量守恒定理，推导出能够表示空间机械臂系统微分运动学关系的广义雅克比矩阵(GeneralizedJacobiMatrix,GJM)[7]。与地面机械臂系统不同的是，利用GJM建模是不仅需要系统的几何参数，还需要各子系统的惯量参数，如基座和各连杆质量、转动惯量等。而在实际空间应用中，基座燃料、末端载荷等会发生不确定变化，若要实现精确的运动控制，必须实时在线地对相关参数进行自适应辨识，无论从实时性还是快速性方面来讲，GJM方法都具有一定的局限性。中国学者梁斌等人在Z.Vafa的理论基础上将空间机械臂等价作一个地面机械臂，提出了动力学等价臂DEM的概念[8]，并解释了它与空间机械臂在运动学和动力学上的等价性。与VM不同的是，DEM是真实的物理概念，可在实际中制造出来。DEM具有VM的优良性质，可以较为准确的描述系统的动力学特性，适用于地面机械臂的控制方法都可通过DEM方法应用于空间机械臂，有助于进一步对空间机械臂进行设计、规划和控制分析。但该方法在建模前期需要大量的计算，并且系统模型不直观，因此同样具有一定的局限性。二、空间机械臂系统轨迹规划空间机械臂在执行任务的过程中需要遵守一定的运动规律，如果没有事先对机械臂的运行轨迹进行规划，一来机械臂无法按照任务需求到达指定位置和指定的指向，另一方面还容易引起机械臂与航天器的碰撞，对航天器造成损坏。此外，运行轨迹的合理性是保证机械臂能够正常运行的基础，机械臂各关节存在构型的约束，如转角大小，转速大小等，因此在设计控制系统之前必须综合考虑以上问题，这就需要对机械臂的运行路径进行规划。机械臂路径规划的一个主要研究内容是规划在给定的起始和目标的位姿，选择一条从起始点到达目标点的路径，使运动物体(机器人)能准确到达目标位姿。对于点到点的路径规划，S.Pandey以及R.Lampariello等通过对关节函数进行参数化，再采用正运动学的方法规划空间机器人笛卡尔空间点到点路径。他们认为多项式函数没法约束关节变量的范围，故使用正弦函数对关节变量进行参数化，然后通过牛顿迭代法求解待定参数。由于迭代法需要对待定参数赋初值，对于空间机器人这样的非完整系统，不同的初值导致不同的收敛结果。为此，R.Lampariello等提出了一种赋初值的准则，然而该准则依赖于一定的条件，如规划的总时间tf，当条件改变了，该准则需要重新建立。另外，在S.Pandey和R.Lampariello的方法中，没有提出当关节角加速度受限时的一般规划方法。徐文福对R.Lampariello等的方法进行了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间双机械臂系统运动协调控制方法，其特征在于，包括：步骤一、构建空间双机械臂系统的运动学方程以及动力学方程；步骤二、根据机械臂的初始位姿以及末端位姿，对空间双机械臂系统进行轨迹规划；步骤三、通过PD控制器对空间双机械臂系统轨迹进行跟踪控制。

【技术特征摘要】
1.一种空间双机械臂系统运动协调控制方法，其特征在于，包括：步骤一、构建空间双机械臂系统的运动学方程以及动力学方程；步骤二、根据机械臂的初始位姿以及末端位姿，对空间双机械臂系统进行轨迹规划；步骤三、通过PD控制器对空间双机械臂系统轨迹进行跟踪控制。2.根据权利要求1所述的空间双机械臂系统运动协调控制方法，其特征在于，步骤一具体包括：步骤一一、根据如下公式建立空间双机械臂系统的运动学方程：其中，N表示机械臂的总数；k表示第k个机械臂，且k为1或2；nk表示第k个机械臂的连杆个数；表示自由度为3×nk的实数空间；为第k个机械臂第i个连杆的质量；kik表示Jik的旋转方向的单位矢量，Jik为第k个机械臂中连接第i-1个连杆与第i个连杆的关节；pik表示关节Jik的位置矢量；为第k个机械臂的关节角速度向量；rik为连杆质心的位置矢量；步骤一二、根据如下公式建立空间双机械臂系统的动力学方程：其中M(q)为机械臂的广义惯性张量，q为空间机械臂系统关节角向量，为机械臂与基座相关的非线性力矩，为耦合系数矩阵，τ为控制力矩。3.根据权利要求1或2所述的空间双机械臂系统运动协调控制方法，其特征在于，步骤二具体包括：步骤二一、获取空间机械臂末端的初始状态最终状态和期望状态步骤二二、假设存在t，使得：其中，分别为第k条机械臂的关节角、角速度和角加速度；和分别为的下限值和上限值，和分别为的下限值和上限值、和分别为的下限值和上限值；t0为轨迹规划的初始时刻，tf...

【专利技术属性】
技术研发人员：李传江，陈亮名，邱爽，张米令，杜晔，孙延超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23