[發明專利]一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法

有效

• 申請號: 201210504433.1
• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN103010491A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 朱志斌;何英姿;魏春嶺;唐強;張勇智
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: B64G4/00
• 分類號: B64G4/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 褚鵬蛟

技術領域

本發明屬于航天器地面物理試驗技術領域，涉及一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法。

背景技術

隨著我國航天事業的發展，由于燃料耗盡等技術性原因，空間失效衛星增多，軌道資源和新航天任務需求的矛盾越來越突出，因此空間在軌服務成為未來航天事業發展的重要方向。由于失效衛星一般不能提供合作對接姿態，也沒有合作對接機構，因此基于多自由度機械臂的空間捕獲和操作控制是很好的選擇。鑒于硬件和軟件算法復雜程度高，需要在地面開展相關關鍵技術的試驗驗證。

在花崗巖平臺開展的基于兩個氣浮臺的超近距離交會和機械臂抓捕試驗是驗證超近距離相對運動導航、制導和精確控制技術的重要手段。然而，花崗巖臺面的非理想狀態和推力器的滯環效應，使得抓捕前兩氣浮臺相對狀態保持精度不高。其次，機械臂抓捕運動過程對氣浮臺帶來干擾力和干擾力矩，使得兩個氣浮臺相對狀態在抓捕過程中不斷變化，目標抓捕部位隨之變化。上述兩點都會引起兩氣浮臺相對距離和相對姿態與標稱狀態相比存在較大偏差，如果采用地面一次規劃機械臂軌跡的方法，則不能完成對目標氣浮臺的可靠抓捕，因此對抓捕機械臂的自適應性提出了很高要求。由于氣浮臺是漂浮基座且抓捕機構末端采用夾持連接方式，機械臂與目標氣浮臺接觸后，如果徑向不加控制，沒有足夠摩擦力，容易分離。此外，由于雙臂運動不能完全同步，可能出現單臂與目標氣浮臺接觸的現象，發生彈離或者反復碰撞，大大影響抓捕的可靠性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法，在兩氣浮臺相對距離和相對姿態與標稱狀態相比存在較大偏差的條件下仍然能夠保證對選定目標特征部位的可靠抓捕，并且能夠保證不發生機械臂與目標氣浮臺結構的脫離。

本發明包括如下技術方案：

一種氣浮臺抓捕試驗機械臂控制方法，所述機械臂為兩個多自由度機械臂，步驟如下：

(1)根據相對測量敏感器輸出的相對距離確定是否進行預抓捕，當追蹤氣浮臺與目標氣浮臺之間的相對距離小于預抓捕設定距離時，兩個機械臂進行預抓捕，將機械臂伸展到目標氣浮臺大包絡范圍；

(2)采集相對測量敏感器輸出的相對距離和相對姿態信息，如果相對距離和相對姿態在機械臂抓捕有效作用范圍內，則根據相對測量敏感器輸出的相對距離和相對姿態信息計算每個機械臂目標特征抓捕部位坐標；根據每個機械臂目標特征抓捕部位坐標和運動學逆解算法解算每個機械臂各關節目標轉角；根據各關節目標轉角與當前關節轉角確定各個關節期望運動軌跡；然后開始進行第一時間間隔的計時；

(3)對于每個機械臂，通過機械臂關節位置和速度閉環控制各關節沿期望運動軌跡運動；

(4)對于每個機械臂，根據安裝在機械臂作用末端的觸碰傳感器輸出的信號判斷機械臂是否與目標氣浮臺接觸，如果機械臂接觸目標氣浮臺，則轉入步驟(5)，否則判斷是否到達設定的第一時間間隔，如果到達第一時間間隔則轉入步驟(2)，如果沒有到達第一時間間隔則轉入步驟(3)；

(5)根據機械臂作用末端安裝的壓力傳感器輸出的信號進行力閉環控制，使得機械臂目標特征抓捕部位與目標氣浮臺的接觸力恒定。

所述多自由度機械臂為三自由度機械臂，該三自由度機械臂包括三個連桿和三個關節，其中第一連桿、第二連桿的長度為l1，l2；第三個連桿長度為0；所述步驟(2)中的運動學逆解算法如下：

其中，θ₁，θ₂，θ₃分別為第1關節、第2關節、和第3關節目標轉角；(p_x，p_y)為機械臂目標特征抓捕部位坐標。

所述步驟(3)的力閉環控制方法如下：

首先由設定的抓捕末端與目標氣浮臺期望壓力與力傳感器輸出壓力值做差，通過兩次積分及運動學逆解轉換得到期望的關節轉角；

然后由期望的關節轉角與碼盤測角裝置獲得的實際關節轉角做差，并通過第一PID控制器濾波，得到期望的關節角速度；

最后對碼盤測角裝置獲得的實際關節轉角進行差分獲得實際關節角速度，對期望關節角速度與實際關節角速度做差，通過第二PID控制器調整得到機械臂各關節電機的驅動指令；最后通過各關節電機驅動機械臂運動。

本發明與現有技術相比具有如下優點：