[发明专利]空间双臂机器人约束柔顺稳定控制方法

说明书

本发明公开了一种空间双臂机器人的约束柔顺控制方法，推导了空间机器人的动力学模型；设计了调整期望运动的双层柔顺结构，协调了对目标操作以及机械臂之间挤压的柔顺；通过设计障碍李雅普诺夫函数，实现了对期望轨迹的约束跟踪；最后通过实例验证了本发明提出的方法的有效性。本发明通过生成柔顺期望轨迹实现了目标操作以及机械臂挤压之间的柔顺，并且约束了关节跟踪期望运动的控制性能，对抓捕后的非合作目标实现了可靠的双臂柔顺稳定控制。

技术领域

本发明涉及一种空间双臂机器人的柔顺控制方法，特别针对空间机器人抓捕非合作目标后的稳定控制任务。

背景技术

空间机器人抓取在轨目标是在轨服务任务所需的重要关键基础技术之一。在现有的研究中，研究人员通常将抓捕任务按序分为三个阶段，即抓捕前、抓捕中以及抓捕后。空间机器人在抓捕前、中两个阶段中操纵机械臂末端靠近抓捕点，并且实现机械臂末端与抓捕点的握紧。在抓捕后阶段，空间机器人的机械臂和基座协同操作，完成对目标的稳定或者重构任务。在整个抓捕任务中，抓捕前、中段的任务目标分别侧重于操作最优性的保证以及接触安全的保障。而抓捕后阶段与前两个阶段不同，抓捕后阶段任务要求空间机器人在保证机械臂末端与被抓捕目标接触安全的同时提高操作效率。相较于空间单臂机器人，空间双臂机器人能够满足大载荷操作的任务需求，适用于更多的空间非合作目标。因此，空间双臂机器人协调控制效率与操纵安全的控制方法是现阶段研究的重点。

对于惯性参数不确定的翻滚目标，根据估计参数设计的期望运动轨迹并不安全。在跟踪期望运动的过程中，末端接触可能对抓捕点造成损伤。针对机器人在抓取的过程中，机器人无法准确快速地跟踪上期望轨迹，进而导致因为跟踪的期望位移与力不统一而破坏被抓捕目标的问题，一部分学者将柔顺控制应用于抓捕后的消旋控制过程当中，以实现对翻滚目标的柔顺消旋。在实际的应用中，即使研究者们在规划优化的过程中考虑了接触安全的约束，在稳定翻滚的非合作目标时，由于目标的不确定性的影响，机械臂末端与目标的接触安全仍然无法保障。简而言之，机械臂准确地跟踪期望轨迹时，机械臂末端的接触力与力矩会因为目标的不确定性影响而违反规划过程中设计的接触约束。在已有研究成果中，研究者们通过设计基于位置的柔顺控制律，实现了空间单臂机器人对非合作目标的柔顺稳定，但对于空间双臂机器人，在对目标操作柔顺的基础上还需要考虑双臂之间挤压的柔顺，目前尚没有公开文献对这一问题进行研究。

发明内容

针对空间双臂机器人抓捕非合作目标后机械臂末端以及机械臂之间的挤压会造成目标损坏的问题，本发明提出一种针对空间双臂机器人的柔顺控制方法，根据双臂末端的接触对期望运动进行调整，采用两层柔顺结构，逐步调整操作过程中的期望轨迹，得到调整后的期望柔顺运动。本发明基于障碍李雅普诺夫函数，设计满足控制性能的跟踪控制器，通过约束关节跟踪期望轨迹的性能，实现空间双臂机器人对非合作目标的约束柔顺稳定，提高了控制方法的可靠性。

本发明的技术方案

所述一种空间双臂机器人约束柔顺稳定控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立空间双臂机器人动力学模型：

其中H_c为空间机器人的惯性矩阵，c_c为空间机器人所受到的科式力，为基座位置与机械臂关节角度组成的广义状态变量，维度为基座的6自由度加双机械臂的自由度2n，一共6+2n，n为机械臂关节个数，为基座加速度与机械臂关节角加速度组成的广义变量，u为系统控制输入，维度为6+2n，J_e为机械臂关节以及基座到机械臂末端的雅阁比矩阵，f_e为机械臂末端测量的接触力；

步骤2：根据控制律

计算系统控制输入u并进行空间双臂机器人控制；其中α为中间控制量，是维度为6+2n的列向量，单个元素的表达式为：