一種空間機(jī)械臂對(duì)接的控制策略研究

1、一種空間機(jī)械臂對(duì)接的控制策略研究邵曼，賈慶軒，陳鋼(北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京100876)摘要：為實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂在艙體表面爬行過(guò)程中機(jī)械骨末端與指定對(duì)接口的對(duì)接任務(wù)，設(shè)計(jì) 了一種針対整體対接過(guò)程的控制策略。首先根據(jù)接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)対可能出現(xiàn)的接觸情況進(jìn)行分 類(lèi)，然后根據(jù)人-維力傳感器傳遞的實(shí)時(shí)接觸力數(shù)據(jù)進(jìn)行接觸力分析，確定不同接觸力數(shù)據(jù)對(duì) 應(yīng)的不同對(duì)接情況，并針對(duì)不同類(lèi)型的對(duì)接悄況設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的對(duì)接控制策略。該整體控制策略 簡(jiǎn)單明了，易于工程實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：空間機(jī)械愕；控制策略；接觸力分析 屮圖分類(lèi)號(hào)：tp24study on a docking control strategy of the sp

2、acemanipulatorshao man, jia qingxuan, chen gang(school of automation, beijing university of post and telecommunications, beijing 100876) abstract: to achieve the task of docking between the end of the space manipulator and the surface of the cabin, the control strategy for the whole docking process

3、is designed first, the possible docking situations are classified according to the number of contact points, then the real-time contact force data which are transferred by the six-dimensional force sensor are analyzed, and the different docking situations corresponded to the different contact force

4、data are determined, at last the control strategy is designed this overall control strategy is easy to achieve keywords: space manipulator; control strategy; contact force analysiso引言空間機(jī)械臂艙外服務(wù)的一項(xiàng)巫要任務(wù)就是機(jī)械臂艙外爬行。能夠在艙體爬行的機(jī)械臂可 以育效擴(kuò)展機(jī)器人的工作范圍。在整體爬行過(guò)程小，由于機(jī)械臂沿預(yù)定軌跡移動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生 微小的偏差，會(huì)彫響對(duì)接時(shí)機(jī)械臂的末端位姿，使得末端無(wú)法順利完成對(duì)接，影響空

5、間機(jī)械 臂整體艙外爬行任務(wù)的完成。當(dāng)今對(duì)接技術(shù)的研究主要是針對(duì)靜態(tài)裝配過(guò)程進(jìn)行二維平面分析。simimovic研究了 插孔對(duì)接時(shí)出現(xiàn)的各種狀態(tài)；whimey首先提岀將整個(gè)插孔對(duì)接過(guò)程分為四個(gè)階段；張規(guī) :等通過(guò)同時(shí)控制力與位置來(lái)完成插孔作業(yè)并取得了較好效果；shahi叩oog等針對(duì)插孔作 業(yè)中可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)進(jìn)行了兒何分析以及動(dòng)力學(xué)分析；trongisi在shahi叩oor研究的基 礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程進(jìn)行幾何分析，所提出的模型可以更清楚了解動(dòng)態(tài)裝配機(jī)制。但是以上 成果都無(wú)法直接用來(lái)解決空間機(jī)械臂艙外爬行過(guò)程中的末端對(duì)接問(wèn)題。針對(duì)具體工程問(wèn)題，木文將空間機(jī)械臂爬行過(guò)程中與艙體的對(duì)接過(guò)程作為切入

6、點(diǎn)，通過(guò) 對(duì)機(jī)械臂末端接觸力信號(hào)的分析來(lái)判斷接觸情況，進(jìn)而針對(duì)可能出現(xiàn)的對(duì)接情況設(shè)計(jì)整體控 制策略。1空間機(jī)械臂末端與対接口的簡(jiǎn)化模型空間機(jī)械愕末端與對(duì)接口的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為便于分析，在對(duì)整體對(duì)接過(guò)程進(jìn)行分基金項(xiàng)小 屮央高校基木科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(bupt2011rc0026, 2011ptb-00-11)作者簡(jiǎn)介：邵曼，(1987-)，女，碩士研究生，主要研究方向：先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)。通信聯(lián)系人：賈慶軒，(1964-),男，教授，主耍研究方向：空間機(jī)器人技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).e-mail: tobcahappyfly 析z前將對(duì)接模型簡(jiǎn)化如圖1所示。圖1對(duì)接簡(jiǎn)化模熨figure 1 simpl

7、ified docking model進(jìn)行如下定義：r空間機(jī)械臂末端半徑；r對(duì)接口內(nèi)半徑；l對(duì)接口內(nèi)高度；f六維力傳感器反饋給機(jī)械骨的力信號(hào)(f=(fx,fv,|xjv,|z),其中fx, fy , f： 為三維接觸力信號(hào)，i x, i y, i z為三維力矩信號(hào)；2對(duì)接情況分類(lèi)根據(jù)對(duì)接過(guò)程中機(jī)械臂末端與對(duì)接口產(chǎn)生的接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)將對(duì)接過(guò)程中可能會(huì)發(fā)牛的對(duì) 接情況分為三類(lèi)。第一類(lèi)為無(wú)接觸，如圖2所示；第二類(lèi)為存在一個(gè)點(diǎn)的接觸情況，如圖3所示；第三類(lèi)為存在兩個(gè)點(diǎn)及以上的接觸(包括面接觸)情況，如圖4所示。ab圖2無(wú)接觸時(shí)的對(duì)接情況figure 2 the docking situations wit

8、h non-contactab圖3存在一點(diǎn)接觸的對(duì)接情況figure 3 the docking situations with one point contactvabc圖4存在兩點(diǎn)及以上接觸的對(duì)接情況figure 4 the docking situations with twopoint or more contact3末端接觸力分析按以下步驟對(duì)六維力信號(hào)f=(fx,fy,l,|y,lo進(jìn)行分析：1) 判斷 f=(f.v,fv,f：,l,| v,l)是否為零；2) 判斷f；是否為零；3) 判斷xs2 + ys2與n的大小關(guān)系；25)判斷fx + fy與fz的大小關(guān)系。可能的接觸點(diǎn)坐標(biāo)(心

9、，力，乙)需根據(jù)式1求出：a-zf x f( 1 )i z = xfy yfx 4由丁存在兩點(diǎn)接觸情況，該朋標(biāo)并不一處是止確的，還需進(jìn)行下一步分析驗(yàn)證。 通過(guò)以上步驟可以綜合判斷出在當(dāng)前力反饋信號(hào)下末端與對(duì)接口的狀態(tài)。下面根據(jù)以上步驟，分析不同類(lèi)型接觸力對(duì)應(yīng)的對(duì)接狀態(tài)。第一步：當(dāng)力信號(hào)為零時(shí)，機(jī)械怦末端與對(duì)接口無(wú)接觸，對(duì)應(yīng)圖2所示的情況；當(dāng)力信 號(hào)不為零時(shí)，對(duì)佗進(jìn)行判斷。第二步：當(dāng)尺=0時(shí)，為圖3(b)所示；當(dāng)fz 0 ,對(duì)應(yīng)圖3(a)(c)、圖4所示情況。對(duì)于 存在fz 0的情況,需要將圖3(a)> (c)、圖4(a)、(b)、(c)區(qū)分出來(lái)。第三步：根據(jù)式1求出接觸點(diǎn)的位置，判斷益2

10、+尹2與廠2的大小關(guān)系。當(dāng)益2+尹2 =廠2時(shí), 可以判斷出接他點(diǎn)位于末端表面，為只冇一個(gè)點(diǎn)接他的情況，即屬于圖3)、(c)所示情況；2末端處于多點(diǎn)接觸狀態(tài)。2 2 22 2底邊與對(duì)接i i底面接觸的情況，如圖3(c)所示。第五步:對(duì)于圖4(a)> (b)、(c)所示三種情況,判斷fx + fy與fz的大小關(guān)系。當(dāng)fx + fye時(shí)，屬于圖4(c)所示狀態(tài)。若 xs + yx 2 r，說(shuō)明計(jì)算出的接觸點(diǎn)不在末端表面，即屬于圖4(a)、(b)、(c)所示三種情況,4控制策略設(shè)計(jì)按空間機(jī)械臂末端與對(duì)接口進(jìn)行對(duì)接的時(shí)間順序，將整個(gè)對(duì)接過(guò)程分為三個(gè)階段，首先 是機(jī)械臂末端接近對(duì)接口階段，然后是開(kāi)

11、始對(duì)接階段，最后是對(duì)接結(jié)束階段。整體控制策略設(shè)計(jì)如下。4.1機(jī)械臂末端接近對(duì)接口階段在機(jī)械臂末端接近對(duì)接口時(shí),會(huì)發(fā)生兩種情況：六維力傳感器反饋力信號(hào)不為零,此時(shí) 進(jìn)入對(duì)接狀態(tài)，每周期檢測(cè)力信號(hào)，并開(kāi)始分析接觸力，應(yīng)用控制策略；按照規(guī)劃軌跡指引 此時(shí)應(yīng)該進(jìn)入對(duì)接狀態(tài)，同樣開(kāi)始每周期檢測(cè)力信號(hào)。該過(guò)程如圖5所示。圖5開(kāi)始對(duì)接階段的判斷流程圖figure 5 judgment flow chart of the beginning of docking process4.2機(jī)械臂開(kāi)始對(duì)接運(yùn)動(dòng)階段對(duì)接運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后，在不斷檢測(cè)力信號(hào)的情況下，如果冇接他力產(chǎn)生，即對(duì)接觸力進(jìn)行分 析，當(dāng)判斷對(duì)接情況為圖3(b

12、)時(shí)，應(yīng)用阻抗控制實(shí)現(xiàn)對(duì)接時(shí)的力控制；當(dāng)對(duì)接情況為圖 3(c)、圖4(b)所示時(shí)，在當(dāng)前運(yùn)動(dòng)周期只調(diào)整末端姿態(tài)，該過(guò)程如圖6所示。f. + fv圖6對(duì)接進(jìn)行階段的控制流程圖figure6 control flow chart of the docking process4.3對(duì)接結(jié)束階段當(dāng)判斷出對(duì)接情況如圖4(c)所示時(shí)，對(duì)接進(jìn)入結(jié)束階段，此時(shí)無(wú)論機(jī)械臂是否走完末端 規(guī)劃軌跡，都停止運(yùn)動(dòng)，在保持接觸力處于一個(gè)微小狀態(tài)的情況下，調(diào)整末端姿態(tài)，h到對(duì) 接完成。該過(guò)程如圖7所示。圖7對(duì)接結(jié)束階段的控制流程圖figure7 control flow chart of the ending of doc

13、king process5結(jié)論木文設(shè)計(jì)了一種根據(jù)接觸力信息完成空間機(jī)械怦與艙體表面對(duì)接的整體控制策略，該策 略通過(guò)對(duì)接觸力的分析彌補(bǔ)機(jī)械臂末端對(duì)環(huán)境了解的不足，并且對(duì)末端與環(huán)境及接觸產(chǎn)生的 接觸力進(jìn)行三維力分析，能夠提高分析的準(zhǔn)確性。本文提出的控制策略也存在不足z處，此 后的工作應(yīng)當(dāng)將針對(duì)力矩信息進(jìn)行更精確分析并細(xì)化控制策略的設(shè)計(jì)，減少控制策略屮的不 確尢因素。參石文獻(xiàn)(references)1j simunovic s n force information in assembly processjj. the 5th international symposium on industria

14、l robots, chicago, sept., 1975： 414-431.2 whitney. d. e, quasi-static assembly of the compliantly supported rigid partsfj, journal of dynamic systems, measurement, and control, transactions of the asme, march, 1982, vol.104： 65-77.3 張銀,韋慶,常文森.一種基于力位混合控制進(jìn)行插孔的策略j.機(jī)器人,jan., 2002, 24(1)： 44-48.41 m. shahinpoor, h. zohoor. analysis of dynamic insertion type assembly for manufacturing au