基于摩擦补偿的空间机械臂关节高精度控制研究

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1、第２０卷第２期载人航天Ｖｏｌ．２０Ｎｏ．２２０１４年３月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＭａｒ．２０１４·工程技术·基于摩擦补偿的空间机械臂关节高精度控制研究１１２张晓东，刘鑫，贾山刚（１畅中国空间技术研究院总体部，北京１０００９４；２．北京航天飞行控制中心，北京１０００９４）摘要：空间机械臂关节具有大惯量、高精度的特点，针对空间机械臂关节低速、高精度控制要求，提出一种基于摩擦补偿的双位置闭环控制策略。建立了考虑摩擦和惯量变化等因素的一体化关节动力学模型，分析了全位置闭环系统的稳定性，在此基础上提出了一种基于双位置传感器信息的闭环伺服控制策略，并引入自

2、适应率辨识未知摩擦和惯量变化，利用Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数证明闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛性。在测试平台上的试验结果表明，提出的空间机械臂一体化关节伺服控制策略能够有效地提高关节伺服控制精度和系统鲁棒性。关键词：机械臂关节；摩擦补偿；参数自适应；伺服控制中图分类号：Ｖ４２３．７文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１４）０２-００９９-０５StudyonHighPrecisionPositionControlofSpaceRoboticArmJointsBasedonFrictionCompensation１１２ＺＨＡＮＧＸｉａｏｄｏｎｇ，

3、ＬＩＵＸｉｎ，ＪＩＡＳｈａｎｇａｎｇ（１畅ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅｃｒａｆｔＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ａｎａｄａｐｔｉｖｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｄｏｕｂｌｅ-ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｓｃｈｅｍｅｆｏｒＳｐａｃｅｒｏｂｏｔｉｃａｒ

4、ｍｊｏｉｎｔｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｒｏｂｏｔｉｃａｒｍｊｏｉｎｔｗａｓｍｏｄｅｌｅｄａｓａｃａｓ-ｃａｄｅｄｙｎａｍｉｃｓｓｙｓｔｅｍａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗｉｔｈｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｆｒｉｃｔｉｏｎｖａｒｉａｔｉｏｎｓｗａｓｕｓｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｏｕｂｌｅ-ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｃｌｏｓｅ-ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｓｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈ

5、ｅｕｎｋｎｏｗｎｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｉｎｅｒｔｉａａｎｄｔｈｅｅｘｔｅｒ-ｎａｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｓｙｍｐｔｏｔｉｃｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｔｒａｃｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｅｒｅｇｕａｒａｎ-ｔｅｅｄｂｙＬｙａｐｕｎｏｖｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｂｙｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Keywords：ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｊｏｉｎｔ；ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｐａｒａｍｅｔｅｒａｄａｐｔｉｖｅ；ｓｅｒｖｏｃｏｎｔｒｏｌ精度任务的能力和稳定性将会受到很大的

6、限制。１引言摩擦非线性会导致严重的稳态定位误差，大空间机械臂的运动是通过各个机械臂关节的大降低了系统的稳定性，引入积分的高增益ＰＤ组合运动来实现的，因此，空间机械臂关节及其伺控制虽然可以减小静差，但存在容易激发极限环［１］服控制系统性能是空间机械臂完成各种高精度作振荡、增大传感器噪声的问题。许多研究者将业任务的前提和基础。但在实际的系统中，关节此类非线性因素视为外部干扰的一部分，提出基传动系统中存在的大惯量和非线性摩擦会导致较于干扰观测器的鲁棒控制、变结构等非线性控制［２］大的稳态误差和极限环振荡等不良后果，是影响方法，但该方法难以描述摩擦动态特性，对低

7、空间机械臂关节高精度位置控制的重要因素，如速时摩擦补偿能力有限。当前，基于摩擦模型的［３］忽略大惯量和摩擦非线性的影响，机械臂执行高补偿方法是消除摩擦的最为有效的方法。但收稿日期：２０１４-０１-０６；修回日期：２０１４-０２-２８作者简介：张晓东（１９８０-），男，博士，高级工程师，研究方向为空间机器人技术。Ｅ-ｍａｉｌ：１５８１０００２９７６＠１３９．ｃｏｍ１００载人航天第２０卷在实际的空间环境中，模型参数会随着外界条件Ff为摩擦力矩；诸如温度变化、润滑条件、机械磨损和惯量变化等K为一体化关节刚度系数；［４］因素而变化，由于其参数的时变特性，参数离N

8、为谐波减速器减速比。线辨识的方法难以取得较高精度。３关节高精度控制系统设计本文提