空间机器人抓捕未知目标的动力学参数辨识

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1、V01．19No．256载人航天第19卷第2期2013年3月空间机器人抓捕未知目标的动力学参数辨识阳方平1，一，陈鹏1，一，王雪竹1，一，李洪谊，，王越超-(1中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳110016；2中国科学院研究生院，北京100049)摘要空间机器人抓捕非合作未知目标会改变系统的动力学参数，并且降低系统路径规划和控制等的精度和准确性。因此在运动控制时，需要对目标物体进行参数辨识。现有在线辨识方法主要基于线动量及角动量守恒方程，将目标物体作为末端杆件或末端执行器的一部分。这些方法的辨识结果是末

2、端杆件的动力学参数而非目标物体本身的参数，并且需要测量多种传感信息。与现有方法不同，在惯性坐标系中基于达朗贝尔原理和欧拉方程，提出了利用六维腕力传感器测得机器人末端力和力矩对未知目标的动力学参数进行辨识的新途径。为验证方法的有效性，采用ABB公司生产的IRB120机器人设计了验证试验，并用等效失重模型来消除机器人自身重力和目标物体重力的影响。试验结果表明该方法可以获得较高的辨识精度，适合实际工程应用。关键词参数辨识；抓捕目标；空间机器人中图分类号：423．9TP242文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)0

3、2—0056—051引言空间机器人系统在执行任务过程中，机器人抓捕未知非合作目标会改变系统的动力学参数。因此，在运动控制时对目标物体进行参数辨识具有十分重要的现实意义：①通过辨识目标物体的质量参数，可以预判目标物体的质量是否超出空间机器人负载的额定范围，从而确定目标任务是否可行；②通过辨识目标物体的质量、质心和惯量参数，可以保证系统动力学模型、路径规划和控制等的精度和准确性；③通过辨识目标物体的动力学参数，可以判断空间机器人在执行任务过程中各关节是否会出现过载现象，保证任务执行过程中的安全

4、生。针对空间机器人及其抓捕目标的

5、动力学参数辨识问题，国内外已有许多学者展开过深入的研究。郭琦【1I等人提出了双臂四自由度空间机器人捕捉未知目标的参数辨识方法。该方法利用卫星自身携带的姿态敏感器测得卫星本体质心的线速度及角速度，基于线动量及角动量守恒方程即可对未知目标进行参数辨识。但是，该方法把目标物体看作是末端连杆的一部分，只能从整体上辨识出机器人系统的动力学参数而非目标物体本身的参数。陈恩伟【2l等人将众多国内外学者提出的对操作臂惯性参数辨识问题的研究方法归结为4类：①解体测量方法吲；②解体实验方法14,51；③CAD方法【6】；④理论辨识方法【7‘8

6、】。他们指出了这些方法尚存在的缺陷，在此基础上提出了利用多维力传感器的信息，通过牛顿一欧拉动力学方程来辨识操作臂的惯性参数的方法。但是该方法没有涉及对未知抓捕目标的参数辨识。王洪柳f91研究了抓取目标的惯性参数在线辨识问题，并基于动量守恒方程和牛顿一欧拉方程分别收稿El期：2012—06—14；修回日期：2012—10—22作者简介：阳方平(1986一)，男，博士研究生，研究方向为空间遥操作。E-mail：yangfangping@sia．cn第2期阳方平等：空间机器人抓捕未知目标的动力学参数辨识57提出了一种辨识方法。基

7、于动量守恒方程的辨识方法是在空间机器人和目标组成的整个系统在抓取碰撞过程中不受外力和外力矩作用的情况下提出的；基于牛顿一欧拉方程的辨识方法则没有上述限制，但在辨识过程中需要测量力和加速度信息。Abiko和Yoshidall01提出了未知负载动力学参数辨识的两种方法，一种方法需要测量基体的速度和角速度来辨识未知负载的动力学参数；另一种方法通过测量对基体的反作用力和力矩来计算未知负载的动力学参数。但是他们的方法需要和振动抑制控制策略配合使用。上述的方法，主要基于线动量及角动量守恒方程，辨识结果是空间机器人末端杆件或末端执行器的

8、惯性参数，而非目标物体的动力学参数，或者辨识目标物体参数时需要测量多种传感信息。因此，本文提出了在惯性坐标系中基于达朗贝尔原理和欧拉方程辨识未知目标物体动力学参数的新方法。该方法要求空间机器人末端安装六维腕力传感器并测量机器人末端真实力信息，方便工程实现。2方法在机械臂末端工具中心点处以及被夹持物体的质心上建立如图1所示坐标系。机械臂末端工具中心点为0，坐标系0一X—Y—Z即为机械臂的工具坐标系；被夹持物体的质心为C，x—y，、互轴分别与x、y、z轴平行。根据达朗贝尔原理，将物体所受的地球引力作为物体受到的约束力，为物体提

9、供圆周运动的向心力，该约束力和向心加速度产生的惯性力相平稳。因此，可以不考虑物体重力，在目标物体的质心惯性坐图1工具坐标系与被夹持物体坐标系标系c—x，一】，。一五中(非连体坐标系)，有：F，一丝A。=0(1)其中，F，为等效到负载物体质心的外力向量，鸠为惯性矩阵，A，为相对于质心惯性系的加速度向量。因