[发明专利]空间机器人基于二次规划问题的基座无扰控制方法

说明书

本发明公开了一种空间机器人基于二次规划问题的基座无扰控制方法，包括推导了空间机器人操作空间下的动力学模型；建立了基座无扰任务和末端执行器跟踪任务的控制方程；通过求解二次规划问题，得到了满足基座、末端执行器任务要求以及幅值约束的关节力矩；最后通过实例验证了本发明提出的方法的有效性。本发明通过推导空间机器人操作空间下的动力学模型，不需要求解逆运动学问题，直接得到满足任务要求并可以直接施加在系统的关节力矩。

技术领域

本发明涉及一种空间机器人基座无扰控制方法，特别涉及空间机器人基于二次规划问题的基座无扰控制方法。

背景技术

空间机器人具备执行在轨航天器维修、空间碎片清理等精细空间任务的能力，因而自20世纪90年代中期开始研究，至今不断引起各航天大国及研究人员的关注。与地面机械臂不同，因为动力学耦合作用，空间机械臂在运动过程中会对自由漂浮的基座航天器产生反作用力和力矩，并引起基座位姿的变化。减小这种机械臂运动对基座的扰动对于空间机器人系统保持基座航天器的微重力环境以及保持对地通信具有重要意义。一部分工作尝试用基座控制系统，比如推进器和反作用飞轮，来补偿机械臂运动对基座产生的扰动，然而，推进器燃料对于系统执行轨道机动而言是一种宝贵的资源，反作用飞轮产生的力矩有限，必须限定机械臂以很小的速度运动。另一部分工作则尝试利用机械臂的运动，包括通过机械臂的运动调整基座的位姿或者期望通过构造冗余机械臂使机械臂执行任务的过程中不产生对基座的扰动。

利用机械臂运动的典型的方法包括扰动图/增强扰动图(Disturbance map/Enhanced disturbance map,DM/EDM)方法和反作用零空间(Reaction null space,RNS)方法。其中，扰动图/增强扰动图方法在关节空间下显示机械臂运动对基座扰动最小和最大的方向，从而指导机械臂的运动，反作用零空间法利用空间机器人系统角动量守恒的性质，在基座速度为零的条件下求解角动量守恒方程，从而找到对基座扰动为零的关节运动速度。其他的方法把对冗余机械臂轨迹的求解描述为优化问题，包括求解局部优化问题得到机械臂的基座无扰轨迹，其中，各关节的轨迹通过Rayleigh-Ritz等技术和多项式函数被参数化；或将基座无扰等要求通过拉格朗日乘子被包含进目标函数，从而通过求解非线性方程得到机械臂基座无扰轨迹；以及求解含线性等式约束的最小方差问题，从而得到了同时满足基座无扰和末端执行器跟踪要求的机械臂运动轨迹。然而，上述所有方法大都可以归于空间机器人基于逆运动学的冗余度分解策略，得到的结果为关节的角速度或角加速度，为了将结果应用到空间机器人系统，还需要额外的运动学控制方法或计算力矩方法。本发明提出一种空间机器人基于二次规划问题的基座无扰控制方法，不需要逆运动学求解，得到的结果为满足基座无扰、末端执行器跟踪期望轨迹等任务要求并可以直接施加在关节的期望关节力矩。

发明内容

针对空间机器人执行任务期间机械臂运动可能引起基座航天器位姿扰动的问题，本发明提出一种空间机器人基于二次规划问题的基座无扰控制方法，区别于传统方法需要求解逆运动学问题并且得到的解为不能直接作用在系统的关节角速度、角加速度，本发明通过推导空间机器人操作空间下的动力学模型，不需要求解逆运动学问题，直接得到满足任务要求并可以直接施加在系统的关节力矩。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提出了一种空间机器人基座无扰的控制方法，包括推导了空间机器人操作空间下的动力学模型；建立了基座无扰任务和末端执行器跟踪任务的控制方程；通过求解二次规划问题，得到了满足基座、末端执行器任务要求以及幅值约束的关节力矩；最后通过实例验证了本发明提出的方法的有效性。该发明的实施主要包括以下三个步骤：

步骤一、建立空间机器人操作空间动力学模型。

空间机器人系统是由基座航天器和n自由度的机械臂组成，通常，选择基座的线/角速度和关节的旋转速度作为广义变量，基于第二类拉格朗日方程，空间机器人的动力学模型可以表示如下：