一种面向多臂稳定抓取的空间机器人最优抓取力分配与柔顺控制方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种面向多臂稳定抓取的空间机器人最优抓取力分配与柔顺控制方法，包括：获得多臂空间机器人末端接触力模型；获得多臂空间机器人末端抓取安全系数模型；依据所述多臂空间机器人末端接触力模型与多臂空间机器人末端抓取安全系数模型，获得多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型；依据所述多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型，获得多臂空间机器人最优抓取力；获得多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型；依据所述多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型，获得基于动能消耗的机械臂末端输出力控制律，获得多臂空间机器人末端控制律切换策略；依据所述多臂空间机器人最优抓取力与多臂空间机器人末端控制律切换策略，获得面向多臂稳定抓取的空间机器人最优抓取力分配与柔顺控制方法。根据本发明专利技术实施例提供的技术方案，可为空间机器人多臂稳定抓取控制方法的设计提供参考。提供参考。提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种面向多臂稳定抓取的空间机器人最优抓取力分配与柔顺控制方法


[0001]本专利技术涉及一种面向多臂稳定抓取的空间机器人最优力分配与柔顺控制方法，属于空间机械臂运动控制


技术介绍

[0002]随着航天技术的发展，人类空间探索活动日益频繁，航天器装配与维修、空间碎片清理等在轨操作任务需求日益迫切。空间目标抓取作为在轨操作任务执行的关键环节，存在目标参数和运动状态随机、接触过程扰动因素众多(如轨道摄动、太阳光压)等问题，且空间环境具有高辐射、高低温交变等特点，使得航天员进行空间目标抓取难度大、风险高。空间机器人作为一类典型的航天装备，具有自主性高和灵活性好等特点，已被广泛地应用于各类在轨操作任务中。然而，面对非合作目标在轨操作任务，单臂机器人存在可应对任务类型有限、操作能力不足等问题，主要表现为其难以抵御抓取过程中来自目标物的碰撞扰动，可能造成关节反驱、臂杆自碰撞、乃至目标物体挣脱逃逸等严重后果。针对该问题，多臂空间机器人应运而生，其不仅可以拓展对目标物体的抓取包络，而且可同时对目标物体施加操作力，极大地提高了空间目标抓取能力和效率。为了实现多臂空间机器人对目标的稳定抓取，需要对抓取力进行精确控制，其关键是抓取力大小的确定以及准确实施。为此，首先需要考虑目标期望运动确定合力大小，进而根据抓取位置和稳定抓取力学条件进行各臂抓取力的分配；在此基础上，瞄准抓取过程中各臂末端与目标物体接触碰撞产生的振动问题，设计合适的控制策略，实现各臂对所分配抓取力的精确跟踪。因此，为了实现对多臂稳定抓取过程的运动控制，亟需开展空间机器人多臂抓取力分配与柔顺控制两方面研究。
[0003]现有关于抓取力分配的研究主要围绕多指机械手进行，并且是在假设目标物体参数完全已知的条件下进行的分析。然而，当目标物体摩擦系数、表面刚度与标称值不一致，或机械臂末端存在抓取误差时，将造成抓取力分配不平衡，在轻微扰动作用下即可使机械臂末端与目标物体之间发生滑移，导致抓取稳定性变差或抓取失败。现有关于柔顺控制方法仅解决了机械臂末端与目标物体单次接触的响应问题，然而，多臂目标抓取过程中，机械臂末端与目标物体的相互作用机制复杂，会导致两者的多次接触碰撞，加剧抓取过渡过程中的振动问题，从而使得现有方法应用效果欠佳。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种面向多臂稳定抓取的空间机器人力分配与柔顺控制方法，通过构建基于抓取安全系数抓取力优化模型，设计基于动能消耗的机械臂末端输出力控制策略与末端控制律切换策略，以提升多臂空间机器人抓取目标操作的稳定性。
[0005]本专利技术实施例提供了一种面向多臂稳定抓取的空间机器人最优力分配与柔顺控制方法，包括：
[0006]获得多臂空间机器人末端接触力模型；
[0007]获得多臂空间机器人末端抓取安全系数模型；
[0008]依据所述多臂空间机器人末端接触力模型与多臂空间机器人末端抓取安全系数模型，获得多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型；
[0009]依据所述多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型，获得多臂空间机器人最优抓取力；
[0010]获得多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型；依据所述多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型，获得基于动能消耗的机械臂末端输出力控制律；
[0011]依据所述多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型与基于动能消耗的末端输出力控制律，获得多臂空间机器人末端控制律切换策略；
[0012]依据所述多臂空间机器人最优抓取力与多臂空间机器人末端控制律切换策略，获得面向多臂稳定抓取的空间机器人最优抓取力分配与柔顺控制方法。
[0013]上述方法中，所述获得多臂空间机器人末端接触力模型，包括：
[0014](1)称第i条机械臂末端与目标物体表面接触位置为接触点，基于下式可得作用于接触点处相对于目标物体质心的力螺旋：
[0015][0016]其中
[0017][0018]式中，f
i
为第i条机械臂末端接触力；τ
i
为第i条机械臂末端接触力矩；n
i
为第i条机械臂末端在接触点处垂直于目标物体表面并指向目标物体内部的单位法向量；o
i
为第i条机械臂末端接触点处平行于目标物体表面的单位切向量；t
i
为第i条机械臂末端接触点处分别垂直向量n
i
、向量o
i
的单位向量；r
i
为第i条机械臂末端接触点在目标物体坐标系中的位置向量；G
i
为第i条机械臂末端的抓取矩阵；
[0019](2)基于下式，得到第i条机械臂末端力的约束条件：
[0020][0021]式中，μ
i
为第i条机械臂末端与目标物体表面的摩擦系数；f
in
为第i条机械臂末端在n
i
方向的接触力；f
io
为第i条机械臂末端在o
i
方向的接触力；f
it
为第i条机械臂末端在t
i
方向的接触力；
[0022](3)建立多臂空间机器人末端接触力模型：
[0023]f＝
‑
G
+
F
e
+Nε
[0024]式中，G为多臂空间机器人的抓取矩阵，并且G＝[G1,G2,
…
,G
i
]；G
+
为多臂空间机器人的抓取矩阵的广义逆矩阵；F
e
为多臂空间机器人抓取目标物体所需要的合外力；N为抓取映射矩阵的零空间向量；ε∈R
k
×1表示实数集内的任意向量，当抓取位置不变时，通过调节ε可以得到不同的抓取力向量。
[0025]上述方法中，获得多臂空间机器人末端抓取安全系数模型，包括：
[0026](1)定义第i条机械臂末端抓取安全系数为：
[0027][0028]式中，为第i条机械臂末端力与摩擦锥约束边界的比例；ρ
i
为给定的第i条机械臂末端摩擦锥约束边界安全系数；
[0029](2)获得第i条机械臂末端稳定抓取条件：
[0030][0031]上述方法中，依据所述多臂空间机器人末端接触力模型与多臂空间机器人末端抓取安全系数模型，获得多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型，包括：
[0032](1)建立多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型：
[0033][0034]s.t.G(f
c
+f
N
)+F
e
＝0
[0035][0036]式中，f
N
为满足稳定抓取的内力；Q为配置各机械臂抓取内力大小比重的权重矩阵，可根据各臂的额定载荷进行设置；f
c
为多臂空间机器人平衡任务需求的合外力；据此优化模型求得在抓取安全系数内的最优抓取内力
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向多臂稳定抓取的空间机器人最优抓取力分配与柔顺控制方法，其特征在于,所述方法包括：获得多臂空间机器人末端接触力模型；获得多臂空间机器人末端抓取安全系数模型；依据所述多臂空间机器人末端接触力模型与多臂空间机器人末端抓取安全系数模型，获得多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型；依据所述多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型，获得多臂空间机器人最优抓取力；获得多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型；依据所述多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型，获得基于动能消耗的机械臂末端输出力控制律；依据所述多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型与基于动能消耗的机械臂末端输出力控制律，获得多臂空间机器人末端控制律切换策略；依据所述多臂空间机器人最优抓取力与多臂空间机器人末端控制律切换策略，获得面向多臂稳定抓取的空间机器人最优抓取力分配与柔顺控制方法。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多臂空间机器人末端接触力模型，包括：(1)称第i条机械臂末端与目标物体表面接触位置为接触点，基于下式可得作用于接触点处相对于目标物体质心的力螺旋：其中式中，f
i
为第i条机械臂末端接触力；τ
i
为第i条机械臂末端接触力矩；n
i
为第i条机械臂末端在接触点处垂直于目标物体表面并指向目标物体内部的单位法向量；o
i
为第i条机械臂末端接触点处平行于目标物体表面的单位切向量；t
i
为第i条机械臂末端接触点处分别垂直向量n
i
、向量o
i
的单位向量；r
i
为第i条机械臂末端接触点在目标物体坐标系中的位置向量；G
i
为第i条机械臂末端的抓取矩阵；(2)基于下式，得到第i条机械臂末端力的约束条件：式中，μ
i
为第i条机械臂末端与目标物体表面的摩擦系数；f
in
为第i条机械臂末端在n
i
方向的接触力；f
io
为第i条机械臂末端在o
i
方向的接触力；f
it
为第i条机械臂末端在t
i
方向的接触力；(3)建立多臂空间机器人末端接触力模型：f＝
‑
G
+
F
e
+Nε
式中，G为多臂空间机器人的抓取矩阵，并且G＝[G1,G2,
…
,G
i
]；G
+
为多臂空间机器人的抓取矩阵的广义逆矩阵；F
e
为多臂空间机器人抓取目标物体所需要的合外力；N为抓取映射矩阵的零空间向量；ε∈R
k
×1表示实数集内的任意向量，当抓取位置不变时，通过调节ε可以得到不同的抓取力向量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据获得多臂空间机器人末端抓取安全系数模型，包括：(1)定义第i条机械臂末端抓取安全系数为：式中，为第i条机械臂末端力与摩擦锥约束边界的比例；ρ
i
为给定的第i条机械臂末端摩擦锥约束边界安全系数；(2)据权利要求3(1)，获得第i条机械臂末端稳定抓取条件：其中，μ
i
、f
in
、f
io
和f
it
定义与权利要求2一致。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述多臂空间机器人末端接触力模型与多臂空间机器人末端抓取安全系数模型，获得多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型，包括：(1)建立多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型：s.t.G(f
c
+f
N
)+F
e
＝0式中，f
N
为满足稳定抓取的内力；Q为给定的配置各机械臂抓取内力大小比重的权重矩阵；f
c
为多臂空间机器人平衡任务需求的合外力；求解此优化模型，获得在抓取安全系数内的最优抓取内力5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述多臂空间机器人的最小稳定抓取内力优化模型，获得多臂空间机器人最优抓取力，包括：(1)基于下式，获得多臂空间机器人最优抓取力：式中，为权利要求4中求得的抓取安全系数内的最优抓取内力。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型，包括：(1)基于下式，获得第i条机械臂关节空间动力学方程：
式中H(q)为第i条机械臂在关节空间下的惯性矩阵；为第i条机械臂在关节空间下的科氏力与离心力耦合项；q为第i条机械臂的关节角度；为第i条机械臂的关节速度；为第i条机械臂的关节加速度；J为第i条机械臂的雅可比矩阵；f
m
为第i条机械臂的末端输出力；τ为第i条机械臂的关节力矩；(2)基于下式，获得第i条机械臂操作空间动力学方程：式中M为第i条机械臂在操作空间下的惯性矩阵；为第i条机械臂末端在操作空间下的实际加速度；V为第i条机械臂在操作空间下的科氏力项与离心力项；f
g
为第i条机械臂的广义驱动力项；并且(3)建立第i条机械臂与目标物体接触时目标物体对第i条机械臂末端的作用力模型：式中，k
e
为弹性系数；D为阻尼系数；x为第i条机械臂末端在目标物体表面法线方向上相对于目标物体表面的实际位置；δ为第i条机械臂末端在接触目标物体表面时刻在目标物体表面法线方向上的速度；c
r
为表示目标物体表面形变恢复能力的恢复系数；其中D＝λx7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述多臂空间机器人末端抓取接触过程动力学模型，获得基于动能消耗的末端输出力控制律，包括：(1)设计基于动能消耗的第i条机械臂末端输出力控制律：式中，f
g
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钢，黄泽远，梁正宇，江涛，李彤，费军廷，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：