基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究

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1、第２０卷第２期载人航天Ｖｏｌ．２０Ｎｏ．２２０１４年３月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＭａｒ．２０１４基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究陈欢龙，王盈，邹怀武，时军委（上海宇航系统工程研究所，上海２０１１０８）摘要：针对７自由度空间机械臂在目标捕获过程中的应用，根据机械臂末端执行器与目标适配器导向插入过程中存在接触碰撞的特点，提出一种阻抗控制方法，将机械臂末端测量的反作用力和力矩转化为位置增量，从而提高机械臂的主动柔性。并建立ＭＡＴＬＡＢ／ＡＤＡＭＳ联合仿真模型进行仿真验证，利用ＡＤＡＭＳ的碰撞模型模拟接触捕获时的力学过程。

2、仿真结果表明，本文提出的阻抗控制方法可以减小机械臂末端作用力和关节的驱动力矩，补偿了机械臂位置控制的误差，从而保证了机械臂对目标的捕获精度。关键词：空间机械臂；力控制；阻抗控制；目标捕获中图分类号：ＴＰ２４２．３；Ｖ４２３．７文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１４）０２-０１２２-０５StudyonImpendenceControlBasedTargetCaptureTechnologyofSpaceRoboticArmＣＨＥＮＨｕａｎｌｏｎｇ，ＷＡＮＧＹｉｎｇ，ＺＯＵＨｕａｉｗｕ，ＳＨＩＪｕｎｗｅｉ（Ｓｈａｎｇｈａｉ

3、ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０８，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｆｏｒｔｈｅｔａｒｇｅｔｃａｐｔｕｒｅｏｆａ７-ＤｏＦＳｐａｃｅＲｏｂｏｔｉｃＡｒｍ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆｃｏｎｔａｃｔｉｎｇａｎｄｉｍｐａｃｔｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅＥｎｄＥｆｆｅｃｔｏｒａｎｄｔｈｅＴａｒｇｅｔＡｄａｐｔｅｒ，ａｍｅｔｈｏｄｏｆｉｍｐｅｎｄｅｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｔｉｖｅｆｌｅｘｉｂｌｅｏｆｔｈｅａｒｍ．Ｔｏｖｅ

4、ｒｉｆｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄ，ａｃｏｍｂｉｎｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｃｒｅａｔｅｄｕｓｉｎｇＭＡＴＬＡＢ／ＡＤＡＭＳ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｆｏｒｃｅｐｒｏｃｅｓｓａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｉｍｐｅｎｄｅｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｕｌｄｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅｅｎｄａｃｔｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｊｏｉｎｔｄｒｉｖｉｎｇｔｏｒｑｕｅｉｎｃｏｎｔａｃｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｕｓｔｈｅＡｒｍｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒ

5、ｏｌｅｒｒｏｒｗａｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄａｎｄｔｈｅｔａｒｇｅｔｃａｐｔｕｒｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｓｓｕｒｅｄ。Keywords：ｓｐａｃｅｒｏｂｏｔｉｃａｒｍ；ｆｏｒｃｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｉｍｐｅｎｄｅｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｔａｒｇｅｔｃａｐｔｕｒｅ低关节的力学载荷，减小关节设计难度。根据任务１引言需求主要分为两种工况，一是末端执行器与目标适空间机械臂是一个复杂的多柔性体串联系统，配器的接触过程，二是载荷与舱体连接口的接触过各个臂杆、关节在运动过程中存在相互耦合的动力程。机械臂末端执行器对目标适配器进行抓捕时，学影响，由于载荷

6、的操作任务，机械臂还存在与星机械臂需保持在目标适配器垂直方向上的主动力，体接触的运动过程。机械臂的控制技术主要解决以保证末端执行器能顺利插入适配器。机械臂的多体协调控制，保证空间机械臂在任务阶力控制主要有两种实现方式，一是力／位混合［１］段的运动平稳性，接触操作的安全性和准确性。由控制，二是阻抗控制。Ｍａｓｏｎ于１９７９年最早提于机械臂自由运动的定位精度有限，需引入力学反出同时、非矛盾地控制力和位置的概念和关节柔馈信号作进一步精确控制，以提高操作精度，因此顺的思想，其方法是对机器人的不同关节根据具力控制模式被用于机械臂的接触运动阶段

7、，用以降体任务要求分别独立地进行力控制和位置控制，收稿日期：２０１４-０１-２４；修回日期：２０１４-０３-２７基金项目：上海市科学技术委员会资助项目（０６ＤＺ２２１０５）作者简介：陈欢龙（１９８２-），博士，高级工程师，研究方向为航天器及空间机构控制与仿真技术。Ｅ-ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｈｕａｎｌｏｎｇ＠１６３．ｃｏｍ第２期陈欢龙，等．基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究１２３［２］明显有一定局限性。１９８１年Ｒａｉｂｅｒｔ和Ｃｒａｉｇ在Ｍａｓｏｎ的基础上提出了力／位混合控制，即通过雅可比矩阵将作业空间任意方向的力和位置分配［３］

8、到各个关节控制器上，可这种方法计算复杂。［４］阻抗控制是Ｈｏｇａｎ于１９８５年提出的，它从图1机械臂阻抗控制模型根本上改变了控制设计思路，解决了由于控制规Fig．1Impendencecontrolmodel律的切换所带来的不稳定问题