一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法
2024-02-14 05:08:15 1
專利名稱：一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法
技術領域：
本發明屬於太空飛行器地面物理試驗技術領域，涉及一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法。
背景技術：
隨著我國航天事業的發展，由於燃料耗盡等技術性原因，空間失效衛星增多，軌道資源和新航天任務需求的矛盾越來越突出，因此空間在軌服務成為未來航天事業發展的重要方向。由於失效衛星一般不能提供合作對接姿態，也沒有合作對接機構，因此基於多自由度機械臂的空間捕獲和操作控制是很好的選擇。鑑於硬體和軟體算法複雜程度高，需要在地面開展相關關鍵技術的試驗驗證。在花崗巖平臺開展的基於兩個氣浮臺的超近距離交會和機械臂抓捕試驗是驗證超近距離相對運動導航、制導和精確控制技術的重要手段。然而，花崗巖臺面的非理想狀態和推力器的滯環效應，使得抓捕前兩氣浮臺相對狀態保持精度不高。其次，機械臂抓捕運動過程對氣浮臺帶來幹擾力和幹擾力矩，使得兩個氣浮臺相對狀態在抓捕過程中不斷變化，目標抓捕部位隨之變化。上述兩點都會引起兩氣浮臺相對距離和相對姿態與標稱狀態相比存在較大偏差，如果採用地面一次規劃機械臂軌跡的方法，則不能完成對目標氣浮臺的可靠抓捕，因此對抓捕機械臂的自適應性提出了很高要求。由於氣浮臺是漂浮基座且抓捕機構末端採用夾持連接方式，機械臂與目標氣浮臺接觸後，如果徑向不加控制，沒有足夠摩擦力，容易分離。此外，由於雙臂運動不能完全同步，可能出現單臂與目標氣浮臺接觸的現象，發生彈離或者反覆碰撞，大大影響抓捕的可靠性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法，在兩氣浮臺相對距離和相對姿態與標稱狀態相比存在較大偏差的條件下仍然能夠保證對選定目標特徵部位的可靠抓捕，並且能夠保證不發生機械臂與目標氣浮臺結構的脫離。本發明包括如下技術方案一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法，所述機械臂為兩個多自由度機械臂，步驟如下(I)根據相對測量敏感器輸出的相對距離確定是否進行預抓捕，當追蹤氣浮臺與目標氣浮臺之間的相對距離小於預抓捕設定距離時，兩個機械臂進行預抓捕，將機械臂伸展到目標氣浮臺大包絡範圍；(2)採集相對測量敏感器輸出的相對距離和相對姿態信息，如果相對距離和相對姿態在機械臂抓捕有效作用範圍內，則根據相對測量敏感器輸出的相對距離和相對姿態信息計算每個機械臂目標特徵抓捕部位坐標；根據每個機械臂目標特徵抓捕部位坐標和運動學逆解算法解算每個機械臂各關節目標轉角；根據各關節目標轉角與當前關節轉角確定各個關節期望運動軌跡；然後開始進行第一時間間隔的計時；
(3)對於每個機械臂，通過機械臂關節位置和速度閉環控制各關節沿期望運動軌跡運動；(4)對於每個機械臂，根據安裝在機械臂作用末端的觸碰傳感器輸出的信號判斷機械臂是否與目標氣浮臺接觸，如果機械臂接觸目標氣浮臺，則轉入步驟(5)，否則判斷是否到達設定的第一時間間隔，如果到達第一時間間隔則轉入步驟(2)，如果沒有到達第一時間間隔則轉入步驟(3)；(5)根據機械臂作用末端安裝的壓力傳感器輸出的信號進行力閉環控制，使得機械臂目標特徵抓捕部位與目標氣浮臺的接觸力恆定。所述多自由度機械臂為三自由度機械臂，該三自由度機械臂包括三個連杆和三個關節，其中第一連杆、第二連杆的長度為11，12 ;第三個連杆長度為O ;所述步驟(2)中的運
動學逆解算法如下
權利要求
1.一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法，所述機械臂為兩個多自由度機械臂，其特徵在於，步驟如下 (1)根據相對測量敏感器輸出的相對距離確定是否進行預抓捕，當追蹤氣浮臺與目標氣浮臺之間的相對距離小於預抓捕設定距離時，兩個機械臂進行預抓捕，將機械臂伸展到目標氣浮臺大包絡範圍； (2)採集相對測量敏感器輸出的相對距離和相對姿態信息，如果相對距離和相對姿態在機械臂抓捕有效作用範圍內，則根據相對測量敏感器輸出的相對距離和相對姿態信息計算每個機械臂目標特徵抓捕部位坐標；根據每個機械臂目標特徵抓捕部位坐標和運動學逆解算法解算每個機械臂各關節目標轉角；根據各關節目標轉角與當前關節轉角確定各個關節期望運動軌跡；然後開始進行第一時間間隔的計時； (3)對於每個機械臂，通過機械臂關節位置和速度閉環控制各關節沿期望運動軌跡運動； (4)對於每個機械臂，根據安裝在機械臂作用末端的觸碰傳感器輸出的信號判斷機械臂是否與目標氣浮臺接觸，如果機械臂接觸目標氣浮臺，則轉入步驟(5)，否則判斷是否到達設定的第一時間間隔，如果到達第一時間間隔則轉入步驟(2)，如果沒有到達第一時間間隔則轉入步驟(3)； (5)根據機械臂作用末端安裝的壓力傳感器輸出的信號進行力閉環控制，使得機械臂目標特徵抓捕部位與目標氣浮臺的接觸力恆定。
2.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於，所述多自由度機械臂為三自由度機械臂，該三自由度機械臂包括三個連杆和三個關節，其中第一連杆、第二連杆的長度為I1,I2 ;第三個連杆長度為O ;所述步驟(2)中的運動學逆解算法如下
3.根據權利要求1所述的控制方法，其特徵在於，所述步驟(3)的力閉環控制方法如下 首先由設定的抓捕末端與目標氣浮臺期望壓力與力傳感器輸出壓力值做差，通過兩次積分及運動學逆解轉換得到期望的關節轉角； 然後由期望的關節轉角與碼盤測角裝置獲得的實際關節轉角做差，並通過第一 PID控制器濾波，得到期望的關節角速度； 最後對碼盤測角裝置獲得的實際關節轉角進行差分獲得實際關節角速度，對期望關節角速度與實際關節角速度做差，通過第二 PID控制器調整得到機械臂各關節電機的驅動指令；最後通過各關節電機驅動機械臂運動。
全文摘要
本發明公開了一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法，包括基於運動學逆解迭代規劃的機械臂抓捕和力閉環抓捕控制過程，基於運動學逆解迭代規劃的機械臂抓捕過程根據不斷更新的兩氣浮臺相對距離和相對姿態變化，迭代更新兩個多自由度機械臂各關節目標轉角，在線規劃軌跡直到可靠連接，從而提高了機械臂抓捕的自適應能力，使得目標特徵部位抓捕冗餘範圍擴大；在觸碰傳感器檢測到有效信號後，即由關節位置和速度閉環迴路切換為機械臂力閉環控制過程，避免了機械臂對氣浮臺的硬觸碰，引起彈離。本發明的控制方法能夠保證機械臂抓捕連接的可靠性。
文檔編號B64G4/00GK103010491SQ20121050443
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者朱志斌, 何英姿, 魏春嶺, 唐強, 張勇智 申請人:北京控制工程研究所