一种空间机器人的柔顺控制方法和地面实验验证系统技术方案

本发明专利技术提供一种空间机器人的柔顺控制方法及地面实验验证系统，方法包括如下步骤：S1：获取所述空间机器人的机械臂末端工具与目标航天器之间的接触力；S2：根据所述接触力的大小确定柔顺度矩阵；S3：根据所述接触力和所述柔顺度矩阵确定所述机械臂末端工具的参考速度；S4：由所述机械臂末端工具的参考速度得到机械臂各关节的参考角速度，根据参考角速度控制所述机械臂各关节内部电机的运动。空间机器人的柔顺控制方法是根据外部接触力改变柔顺度系数的方法，并最终将外部接触力转化成空间机器人末端工具的速度，实现空间机器人的末端工具快速稳定的顺从外部接触力而运动，对接触力起到缓冲的作用。

A Compliance Control Method and Ground Experiment Verification System for Space Robot

【技术实现步骤摘要】
一种空间机器人的柔顺控制方法和地面实验验证系统
本专利技术涉及空间机器人的
，尤其涉及一种空间机器人的柔顺控制方法及地面实验验证系统。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，人们对外太空的探索不断深入，空间中航天器的数量也越来越多。对太空垃圾的清理，故障航天器的维修，航天部件的更换等在轨服务任务成为人们探索太空的基本保障。由于太空环境复杂，仅依靠宇航员来进行在轨服务的成本代价过高，所以目前在轨服务技术越来越依赖于空间机器人的自主作业，而空间机器人柔顺控制是未来在轨服务工程化中的关键技术之一。空间机器人是指在外太空环境中运行的机器人，通常由基座飞行器和安装在基座上的机械臂组成。捕获技术是空间机器人自主在轨服务的基础，它是指两个航天器(目标航天器和跟踪航天器)同时在预定的轨道位置相遇并最终在结构上形成一个整体。根据捕获目标是否具有专门的捕获装置，可分为合作目标和非合作目标。合作目标自主交会对接技术发展相对较好，已广泛应用于空间站的维护和补给任务中。然而，轨道上存在着许多非合作目标，如在轨卫星、报废卫星、轨道碎片和一些军事任务目标。因此，非合作目标捕获技术是未来自主轨道服务发展的重要方向。空间机器人在轨捕获技术的意义和价值体现在两个方面：1、可用于空间垃圾处理和脱轨作业，提高轨道资源利用率；2、对于轨道装配、维护和供给具有明显的经济效益。空间机器人的非合作目标捕获可分为捕获前运动规划、捕获过程中的碰撞检测与力柔顺控制、捕获后稳定控制三个阶段。在空间机器人对非合作目标进行抓捕的过程中，虽然有前期的视觉伺服跟踪和运动规划，但在捕获的瞬间空间机器人手爪和非合作目标之间仍有相对运动，如果此时空间机器人直接进行刚性抓捕的话，轻则造成非合作目标的逃离，重则损毁空间机器人，因此，在此过程中，空间机器人需具有一定的柔顺性来保证与非合作目标之间的接触力较小，安全完成捕获任务。而空间机器人基座的稳定性已被许多研究者广泛研究，可以通过喷气或飞轮等方式保证空间机器人在运动过程中基座的稳定。因此，本专利主要在空间机器人基座稳定的前提下对捕获过程的力柔顺控制进行研究。现有技术中，采用机械的方式使刚性机械臂手腕具有一定柔性，从而延长控制捕获过程中接触的接触时间，降低了控制难度，种方法虽然简单有效，但通用性较差，功能比较单一；还有，采用关节力矩传感器来感知捕捉过程中的接触力，并通过相应的控制算法控制机械臂的各关节运动，从而使机械臂具有一定的柔顺性，并在地面2维平面中进行了实验验证；此方法中的机械臂每个关节都装有力矩传感器，成本过高；柔顺控制方法采用各关节的位置控制，响应速度低，而且只在地面2维空间进行了验证，具有一定的局限性；还有将关节电流近似等于关节力矩，建立机械臂的动力学模型，并在二连杆上做相应的实验验证，采用电流信号来近似代替负载力矩，虽然减少力矩传感器降低了成本，但其精度得不到保证，尤其在关节运动时两者差异加大，相关理论的验证只是在简单的二关节模型上得到验证，相关计算方案缺乏严格的理论推导，并且没有拓展到空间多自由度机器人，缺乏实验验证，需要对机械臂进行复杂的动力学建模以及模型参数的辨识，无法排除或减小一些非线性因素的影响。所以现有技术中缺乏一种精度高、通用性好、成本适宜的空间机器热的柔顺控制方法，同时也缺乏一种对应的可靠的地面实验验证系统。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中缺乏一种精度高、通用性好、成本适宜的空间机器热的柔顺控制方法，同时也缺乏一种对应的可靠的地面实验验证系统的问题，提供一种空间机器人的柔顺控制方法及地面实验验证系统。为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下所述：一种空间机器人的柔顺控制方法，包括如下步骤：S1：获取所述空间机器人的机械臂末端工具与目标航天器之间的接触力；S2：根据所述接触力的大小确定柔顺度矩阵；S3：:根据所述接触力和所述柔顺度矩阵确定所述机械臂末端工具的参考速度；S4：由所述机械臂末端工具的参考速度得到机械臂各关节的参考角速度，根据参考角速度控制所述机械臂各关节的内部电机的运动。优选地，步骤S2确定柔顺度矩阵Kr的方法为：Kr＝c0|Fe|，其中，c0为常数，Fe为所述接触力。优选地，c0取值为0.002；通过PD控制算法控制所述机械臂各关节内部电机的运动。优选地，步骤S3包括：所述接触力Fe通过基于速度环的阻抗控制转换成所述机械臂末端工具的参考速度V：V＝KrFe。优选地，步骤S4包括：通过所述空间机器人的广义雅克比矩阵的逆J*-1和所述机械臂末端工具的参考速度V得到所述机械臂各关节的参考角速度即：本专利技术还提供一种地面实验验证系统，包括：机器人、机械臂末端工具、多维力传感器和处理器；所述多维力传感器分别与所述机器人和所述机械臂末端工具连接，并采集所述机械臂末端工具与环境之间的接触力在多维力传感器坐标系下X轴、Y轴、Z轴和绕X轴、绕Y轴、绕Z轴分量上的值；处理器，与所述机器人和所述多维力传感器通讯连接，用于接收所述机器人和所述多维力传感器的实时信息并实时发送运动控制指令给所述机器人和所述多维力传感器；对所述多维力传感器采集的所述接触力进行滑动均值滤波并补偿所述多维力传感器的零点漂移；对所述机械臂末端工具的重力进行补偿。优选地，所述滑动均值滤波包括如下：获得所述多维力传感器连续采集的n个数据a[n]＝{x1,x2…xn}，将这n个数据视为一组；此后，每采集一个数据x，便有如下操作：a[i-1]＝a[i]，a[n-1]＝x，其中，i＝1,2…n-1，n为自然数；对上述数据进行均值操作，便可得到滑动均值滤波后的所述接触力的值为：优选地，所述补偿所述多维力传感器的零点漂移包括如下步骤：T1：在所述接触力为零的情况下，将所述机器人移动到所述机械臂末端工具的坐标系中Z轴竖直向上时的位姿，得到所述多维力传感器的读数F1；T2：在所述接触力为零的情况下，将所述机器人移动到所述机械臂末端工具的坐标系中Z轴竖直向下时的位姿，得到所述多维力传感器的读数F2；T3：得到所述多维力传感器的零点漂移F0：得到所述机械臂末端工具的重力Fg：则，所述机械臂末端工具的所述接触力为：Fe＝F-Fg-F0；其中，F是所述多维力传感器的实时测量值。优选地，所述对所述机械臂末端工具的重力进行补偿包括：所述机器人的末端坐标系、所述多维力传感器的坐标系和所述机械臂末端工具的坐标系的关系表示如下：其中，表示所述多维力传感器的坐标系{S}相对于所述机器人的末端坐标系的变换矩阵；表示所述机械臂末端工具的坐标系{T}相对于所述多维力传感器的坐标系{S}的变换矩阵；l0,l1表示Z轴上的增量；所述机器人的末端坐标系相对于机器人基座的变化矩阵表示为：其中，和分别为所述机器人的末端坐标系相对于所述机器人基座的旋转矩阵和位置；获取所述机器人的末端姿态信息为：其中，为所述机器人的末端坐标系相对于所述机器人基座的姿态旋转矢量；则，旋转角度为：根据罗德里格斯旋转方程，可以获得旋转矩阵为：其中，cθ＝cosθ，sθ＝sinθ，vθ＝1-cosθ，kx＝Rx/θ，ky＝Ry/θ，kz＝Rz/θ；所述机械臂末端工具的重力在所述机器人基座的坐标系中表示为：0G＝[00-mg]T其中，m和g分别为所述机械臂末端工具的质量和重力加速度；得到所述机械臂末端工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间机器人的柔顺控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取所述空间机器人的机械臂末端工具与目标航天器之间的接触力；S2：根据所述接触力的大小确定柔顺度矩阵；S3：根据所述接触力和所述柔顺度矩阵确定所述机械臂末端工具的参考速度；S4：由所述机械臂末端工具的参考速度得到机械臂各关节的参考角速度，根据所述参考角速度控制所述机械臂各关节的内部电机的运动。

【技术特征摘要】
1.一种空间机器人的柔顺控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取所述空间机器人的机械臂末端工具与目标航天器之间的接触力；S2：根据所述接触力的大小确定柔顺度矩阵；S3：根据所述接触力和所述柔顺度矩阵确定所述机械臂末端工具的参考速度；S4：由所述机械臂末端工具的参考速度得到机械臂各关节的参考角速度，根据所述参考角速度控制所述机械臂各关节的内部电机的运动。2.如权利要求1所述的空间机器人的柔顺控制方法，其特征在于，步骤S2确定柔顺度矩阵Kr的方法为：Kr＝c0|Fe|其中，c0为常数，Fe为所述接触力。3.如权利要求2所述的空间机器人的柔顺控制方法，其特征在于，c0取值为0.002；通过PD控制算法控制所述机械臂各关节内部电机的运动。4.如权利要求2所述的空间机器人的柔顺控制方法，其特征在于，步骤S3包括：所述接触力Fe通过基于速度环的阻抗控制转换成所述机械臂末端工具的参考速度V：V＝KrFe。5.如权利要求2所述的空间机器人的柔顺控制方法，其特征在于，步骤S4包括：通过所述空间机器人的广义雅克比矩阵的逆J*-1和所述机械臂末端工具的参考速度V得到所述机械臂各关节的参考角速度即：6.一种地面实验验证系统，其特征在于，包括：机器人、机械臂末端工具、多维力传感器和处理器；所述多维力传感器分别与所述机器人和所述机械臂末端工具连接，并采集所述机械臂末端工具与环境之间的接触力在多维力传感器坐标系下X轴、Y轴、Z轴和绕X轴、绕Y轴、绕Z轴分量上的值；处理器，与所述机器人和所述多维力传感器通讯连接，用于接收所述机器人和所述多维力传感器的实时信息并实时发送运动控制指令给所述机器人和所述多维力传感器；对所述多维力传感器采集的所述接触力进行滑动均值滤波并补偿所述多维力传感器的零点漂移；对所述机械臂末端工具的重力进行补偿。7.如权利要求6所述的地面实验验证系统，其特征在于，所述滑动均值滤波包括如下：获得所述多维力传感器连续采集的n个数据a[n]＝{x1,x2…xn}，将这n个数据视为一组；此后，每采集一个数据x，便有如下操作：a[i-1]＝a[i]a[n-1]＝x其中，i＝1,2…n-1，n为自然数；对上述数据进行均值操作，便可得到滑动均值滤波后的所述接触力的值为：8.如权利要求6所述的地面实验验证系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘厚德，董伉伉，朱晓俊，高学海，王学谦，梁斌，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44