一种空间机械臂位置力混合控制方法技术

一种空间机械臂位置力混合控制方法，是一种笛卡尔空间和关节空间相结合的双回路控制方法。相比于基于整体模型的传统控制方法存在的过渡过程振荡和算法复杂性问题，本发明专利技术将位置/力混合控制问题分解为笛卡尔空间的规划问题和关节空间的控制问题，给出笛卡尔空间到关节空间的位置/力运动学规划和关节空间的动力学控制，组成内外回路控制系统，实现对机械臂末端自由空间的位置控制和受环境约束空间的接触力控制。对7自由度冗余机械臂的仿真结果证实了方法简单、有效、易于工程实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，可为我国载人三期机械臂工程提供技术支持。
技术介绍
空间机械臂研制是我国未来空间站项目成败的核心技术之一，其工程设计要求十分苛刻，涉及众多亟需攻关解决的关键技术。机械臂在空间站系统中发挥着重要作用，承担着舱段捕获与转移、仪器设备转移与安装、辅助航天员作业等多种功能。由于空间机械臂是一个复杂的动力学系统，呈现变质量、变结构、大柔性、强非线性、强耦合的复杂动力学特性，无论从动力学建模还是控制系统设计都给设计师带来很大的挑战。机械臂完成任务操作有两种基本模式:在自由空间的位置控制和被环境约束时的力控制。在实际工程中往往需要同时执行自然约束和人工约束控制这两种基本模式，此时，位置控制与力控制组成一个有机整体，这类位置控制和力控制融合在一起的控制问题即为位置/力混合控制问题。这类混合工作模式的 控制相对于基本模式控制要困难得多，国内外的研究也不成熟。机械臂单独的力控制方法包括刚度控制、阻抗控制和直接力控制等方法。Raibert和Craig首先提出位置/力混合反馈控制，代表性的有，Khabib提出了基于任务空间模型的控制方法，Yoshikawa提出了基于动力学模型和末端约束超平面描述的动态控制方法，McClamroch给出了机械臂受限动力学模型的镇定条件和闭环特性，关于混合控制的稳定性问题，Doulgeri讨论了运动学坐标变换引出的运动学失稳问题，An讨论了机械臂动力学与环境接触力动力学耦合引出的动力学失稳问题。邱志成和谈大龙提出利用加速度反馈，处理位置控制到力控制过渡时存在的冲击、震荡、不稳定等问题。机械臂力控制的主要难点在于笛卡尔空间的接触力模型与关节空间的动力学模型是非线性对应关系，特对是对于冗余自由度机械臂，是复射关系，造成难以将模型处理为从关节空间控制力矩输入到笛卡尔空间力输出的统一模型。然而，目前的控制方法大都是将运动学模型和动力学模型作为整体处理，给出基于物理概念的控制律，但没有补偿动力学特性，存在过渡过程振荡和稳定性问题；给出基于模型推导的控制律，但存在如雅克比矩阵导数项难以求解的算法问题，且计算量过大而难以应用。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供，将位置/力混合控制问题分解为笛卡尔空间的规划问题和关节空间的控制问题，给出笛卡尔空间到关节空间的位置/力运动学规划和关节空间的动力学控制，组成内外回路控制系统，实现对机械臂末端自由空间的位置控制和受环境约束空间的接触力控制。针对7自由度冗余机械臂的仿真结果，验证了方法的有效性和实用性。本专利技术的技术解决方案是:，步骤如下:(I)建立机械臂动力学模型为M⑷々_ + <:>,扑⑷F，其中，q G Rn为关节角， 和夺分别为q的二阶导数和一阶导数，M(q) G Rnxn为关节空间的惯性矩阵，C(^q) e R-为离心力和科氏力耦合效应，T G Rn为关节驱动力矩，F G R6为机械臂末端在笛卡儿空间的广义力，环境自由度n>6，冗余自由度为n-6，J(q) G R6xn为雅克比矩阵；(2)通过位置和力运动规划算法得到机械臂末端从笛卡尔空间到关节空间的逆向运动学结果，该逆向运动学结果即为关节角指令；(3)通过关节角运动控制算法进行机械臂动力学特性的补偿，实现对所述关节角指令的跟踪控制；(4)由机械臂动力学模型、位置和力运动规划算法以及关节角运动控制算法组成内外回路位置/力混合控制系统，实现对所述空间机械臂位置力混合控制。所述位置和力运动规划算法具体为:(2.1)令《x =々，将± = /(</)〃,.设置为被控对象；(2.2)假设雅克比矩阵J(q)是行满秩的，即机械臂处于非奇异位形，令Ux=J+(q)Kx(Xdes-X),其中Kx G R6x6是正定对角增益矩阵，J+(q)为雅克比矩阵的广义逆，J+(q) =JT (q)(J(q) Jt(q))xdes G R6为期望末端位姿，x为机械臂末端在笛卡尔空间的位姿,有X = [X,y, z, 4), 0 , V]T,其中「x，y，z]T 为位置，[, 0 , ￥]t 为姿态； ( 2.3 )由公式》= ^可以得到位置规划方程包=J+(qWMdes - X);(2.4)根据机械臂运动的低动态特性，忽略公式衅良+戽夂+[晃=F中的小量￡ 动态项，简化为F=KtEx ;其中，Mt，Bt, Kt G R6x6为正定对角矩阵，分别代表环境惯性、阻尼和刚度，Ex=X-Xr其中&为接触点标称轨迹，包括机械臂末端位置和姿态；(2.5)对式F=KtEx两边取导，得# =[,之,将雅克比矩阵关系式义=>/(_代入得F = KtEx = K,J{q)q ,重新定义控制量 4 = J+Wuf，得到 F = KrJ(q)q = KtUf ；(2.6)针对线性系统户=^^(作=( /，令Uf=Kf (Fdes-F),将其代入i = J+{q) f得至Ij力规划方程卜1/(4 ，其中Kf G R6x6是正定对角增益矩阵，Fdes G R6是期望接触力；(2.7)位置规划方程4 =-为和力规划方程4 = J+(￠)6(4 -F)即为机械臂末端从笛卡尔空间到关节空间的逆向运动学结果。所述关节角运动控制算法具体为:(3.1)针对机械臂关节空间的动力学模型+ 卜T-JT( )F，定义新的控制输入Utl G Rn,对其非线性状态反馈补偿r = M⑷Ht, _f ￠:((/.抑+Jl⑷F，得到控制方程H = ' (3.2)针对式 = , 设计 PD 控制律=K (“.-々)+ kM^ -)，其中 qdes G Rn为运动规划关节角，^ EiT为运动规划关节角速度，Ik' EiT为运动规划关节角加速度，Kp G Rnxn为比例增益矩阵，Kd G Rnxn为微分增益矩阵； (3.3)将《 = +Kd~i) + Kp(qries -<r)代入式T = M(q)uq + C(q,q)q + J1 (q)F，即得到控制律为:=M(q、d + Kjiqjes-q) + Kp(qdes - qj) + C(q,q)q + J1 (q)F。位置/力混合控制系统具体为:(4.1)将位置规划方程# =/+(￠)1( , -X)和力规划方程4 = J+(^r)Ad -F)组成位置/力规划外回路，利用所述位置规划方程和力规划方程将自由空间的期望末端位姿Xdes和期望接触力Fdes统一规划为关节角命令，利用位姿X和接触力F，计算得到关节角qdes、关节角速度也和关节角加速度，作为关节角控制内回路指令；(4.2)将关节角控制律 T = M(q)(qdes + Kd{qda ~q) + Kp (qdes - q)) + C(q, q)q + J1 (q)F 组成关节角内回路，将外回路计算得到的关节角信息U乍为输入指令，利用机械臂模型得到的关节角q和角速度々作为反馈量，实现对外回路指令的跟踪控制。本专利技术与现有技术相比的优点在于:I)将位置/力混合控制问题分解为笛卡尔空间的规划问题和关节空间的控制问题，给出笛卡尔空间到 关节空间的位置/力运动学规划和关节空间的动力学控制，组成内外回路位置力混合控制系统。2)相比于基于整体模型的传统控制方法存在的过渡过程振荡和方法复杂性问题，此位置力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间机械臂位置力混合控制方法，其特征在于步骤如下：（1）建立机械臂动力学模型为其中，q∈Rn为关节角，和分别为q的二阶导数和一阶导数，M(q)∈Rn×n为关节空间的惯性矩阵，为离心力和科氏力耦合效应，τ∈Rn为关节驱动力矩，F∈R6为机械臂末端在笛卡儿空间的广义力，环境自由度n>6，冗余自由度为n?6，J(q)∈R6×n为雅克比矩阵；（2）通过位置和力运动规划算法得到机械臂末端从笛卡尔空间到关节空间的逆向运动学结果，该逆向运动学结果即为关节角指令；（3）通过关节角运动控制算法进行机械臂动力学特性的补偿，实现对所述关节角指令的跟踪控制；（4）由机械臂动力学模型、位置和力运动规划算法以及关节角运动控制算法组成内外回路位置/力混合控制系统，实现对所述空间机械臂位置力混合控制。FDA00003062121100011.jpg,FDA00003062121100012.jpg,FDA00003062121100013.jpg,FDA00003062121100014.jpg

【技术特征摘要】
1.一种空间机械臂位置力混合控制方法，其特征在于步骤如下: (1)建立机械臂动力学模型为斯W+ = r⑷F ’其中，q G Rn为关节角，m4分别为q的二阶导数和一阶导数，M(q) G Rnxn为关节空间的惯性矩阵，为离心力和科氏力耦合效应，T G Rn为关节驱动力矩，F G R6为机械臂末端在笛卡儿空间的广义力，环境自由度n>6，冗余自由度为n-6，J(q) G R6xn为雅克比矩阵； (2)通过位置和力运动规划算法得到机械臂末端从笛卡尔空间到关节空间的逆向运动学结果，该逆向运动学结果即为关节角指令； (3)通过关节角运动控制算法进行机械臂动力学特性的补偿，实现对所述关节角指令的跟踪控制； (4)由机械臂动力学模型、位置和力运动规划算法以及关节角运动控制算法组成内外回路位置/力混合控制系统，实现对所述空间机械臂位置力混合控制。2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂位置力混合控制方法，其特征在于:所述位置和力运动规划算法具体为: (2.1)令《* = ，将* = /⑷设置为被控对象； (2.2)假设雅克比矩阵J(q)是行满秩的，即机械臂处于非奇异位形，令Ux=J+(q)Kx(Xdes-X),其中Kx G R6x6是正定对角增益矩阵，J+(q)为雅克比矩阵的广义逆，J+(q) =JT (q)(J(q) Jt(q))xdes G R6为期望末端位姿，x为机械臂末端在笛卡尔空间的位姿,有X = [X,y，z, 4) , 0 , V]T,其中[X，y, z]T 为位置，[￠, 0 , ￥]t 为姿态； (2.3)由公式《=V可以得到位置规 划方程4 = */+(</民(&-4; (2.4)根据机械臂运动的低动态特性，忽略公式夂+5五中的小量K动态项，简化为F=KtEx ;其中，Mt, Bt, Kt G R6x6为正定对角矩阵，分别代表环境惯性、阻尼和刚度，Ex=X-Xr其中&为接触点标称轨迹，包括机械臂末端位置和姿态；(2.5)对式F=KtEx两边取导，得i7 = KlEx =KtX ,将雅克比矩阵关系式i = J(q)q代入得/ = KtEx = K,J(q)q，重新定义控制 = (_f...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛东明，邹元杰，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：