面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法.pdf

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1、8中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2014年8月第4期面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法徐拴锋1’2杨保华3张笃周1’2朱志斌1’2唐强1‘2张海博1’2(1北京控制工程研究所，北京100190)(2空间智能控制国家重点试验室，北京100190)(3中国空间技术研究院，北京100094)摘要文章针对非合作目标抓捕问题设计了基于误差反馈系数的机械臂轨迹规划算法。考虑到空间机械臂在轨服务要求，采用反作用零空间方法来规划机械臂运动轨迹以实现机械臂与航天器之间的协调运动。为避免在规划起始阶段位姿误差较大可能导致机械臂关节速度过大的问题，引入了位姿误差

2、反馈系数。技术进行验证，搭建了地面半物理仿真系统。为对空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划试验结果表明，通过合理选择位姿误差反馈系数，设计的轨迹规划算法能够使固定基座机械臂末端执行器以较为均匀的速度逼近非合作目标，并能以较高精度实现对非合作目标的抓捕。该试验可以为空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划提供参考。关键词自由漂浮空间机械臂；非合作目标；轨迹规划；位姿误差反馈系数；半物理仿真DOI：10．3780／j．issn．1000758X．2014．04．0021引言空间机械臂可以通过修复或者添加燃料的方式使一个处于失效状态的航天器重新进入工作状态，这对于降低成本、促进航天器产品的市场化具有重要的意

3、义。失效航天器与装有机械臂的追踪星之间没有直接的信息交流，属于非合作目标。非合作目标泛指不能提供有效合作信息的空间目标，包括没有为对接或抓捕设计专门接IEI的航天器和无法进行控制的处于自由翻滚状态的航天器等。考虑到工程实际要求，需要合理规划机械臂的运动轨迹，使机械臂沿此轨迹运动时可以实现机械臂与航天器之间的协调运动，即机械臂在跟踪任务空间期望轨迹的同时对航天器姿态无干扰。为此，学者们提出了很多方法[1。8]。其中，文献[8]提出的反作用零空间方法的优点在于它不需要机械臂进行复杂费时的周期运动，也不需要对航天器的期望姿态做出限制。但是，在规划开始阶段由于位姿误差较大，可能会导致关节速度过大，甚至

4、会造成关节速度超限以致损坏设备。为解决这个问题，本文引入了位姿误差调节系数，使机械臂以较为平稳均匀的速度运动，从而保证抓捕的安全性。针对非合作目标抓捕的地面半物理仿真试验，提出了基于位姿误差反馈系数的固定基座机械臂，并通过试验对轨迹规划方法的有效性进行了验证。国家高技术研究发展计划(863)(2012AAl20602)，重点基础研究发展计划(973)(2013CB733100)资助项目收稿日期：2014—05—20。收修改稿日期：201407112014年8月中国空间科学技术2基于位姿误差反馈系数的机械臂轨迹规划方法2．1基于位姿误差反馈系数的自由漂浮空间机械臂轨迹规划方法假定自由漂浮空间机械

5、臂系统不受外力、外力矩的影响，则满足动量守恒定律。在自由漂浮空间机械臂的初始动量为零的情况下，其末端执行器在任务空间中的速度主ER6为[9一主一Jb饥+Jmq(1)式中J。∈R6×3和J。∈R6“分别为对应于航天器和机械臂的雅克比矩阵；饥∈R3为航天器相对于惯性系的角速度，并表示在航天器本体系中；毒∈R”为机械臂关节速度矢量，q一[q。，⋯，q。】7为机械臂关节位置向量。空间机械臂的反作用零空间控制由式(2)给出L8]q，一(E—M．mMb。)善(2)式中M。。∈R3×”为航天器与机械臂的耦合惯量矩阵；M吉。一Mi。(M。。Mi。)_1表示M。。的右伪逆；；为任意矢量。在运动学控制器式(2)作

6、用下，机械臂运动即可对航天器姿态无干扰。将式(2)代人自由漂浮空间机械臂运动学方程式(1)，解得邙3当一[J。(E～M-bmMb。)】+[X—JbC-Ob](3)式中x∈R6为机械臂末端执行器的速度(包括线速度和角速度)。若机械臂按式(4)给出的关节速度运动，就可以实现航天器与机械臂的协调运动瑚：q，一(E—M百mMB。)[I，。(E—M吉mMb。)]一(Xd—AoAx—dboJb)(4)式中x∈R6和x。∈R6分别为机械臂末端执行器的当前位姿和期望位姿；主。∈R6为机械臂末端执行器的期望速度；Ax一工一X。为机械臂末端执行器的位姿偏差；A。ER6×6为正定对称增益矩阵(通常为常值矩阵)。由式

7、(4)可知，若将A。取为常值矩阵，可能带来一个问题：在规划刚开始时，由于机械臂末端执行器的位姿误差Ax较大，可能会使按式(4)规划的机械臂关节速度较大，甚至会超过机械臂关节的最大允许速度，导致设备损坏。而在实际中，希望机械臂以较为均匀的速度向目标逼近。为解决这个问题，需要对轨迹规划算法式(4)进行改进。具体做法是：考虑到实际任务需求和机械臂所能提供的运动能力，将机械臂末端执行器从初始位姿X(o)运