[發(fā)明專利]空間機器人在軌維修的視覺伺服操控方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710629709.1
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107398901B
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉冬雨;劉宏;何宇;張柏楠;李志奇;劉伊威;金明河
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J11/00
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種空間機器人在軌維修的視覺伺服操控方法，其特征在于：所述的方法包括以下步驟：

步驟一：航天員在軌標(biāo)定電動工具旋擰螺釘?shù)哪繕?biāo)位姿；

通過全局相機記錄出電動工具當(dāng)前位姿^CT_t(t₀)，以該位姿定義機器人機械手抓握電動工具后旋擰螺釘期間的電動工具標(biāo)稱位姿和對應(yīng)的坐標(biāo)系F_t；

步驟二：所述的機械手抓握電動工具通過全局相機視覺伺服完成旋擰螺釘?shù)亩ㄎ唬?/p>

在旋擰螺釘任務(wù)期間，機械手抓握電動工具，在全局相機視覺引導(dǎo)下進行視覺伺服的閉環(huán)控制，電動工具在機器人機械臂帶動下運動至旋擰螺釘?shù)臉?biāo)稱位姿，實現(xiàn)電動工具對螺釘?shù)膶?zhǔn)操作；

本步驟中，通過標(biāo)定結(jié)果當(dāng)前位姿^CT_t(t₀)和視覺實時測量^CT_t(t)形成對機械手抓握電動工具后的位姿T(t)閉環(huán)控制，將機械臂基座安裝誤差、機械手與電動工具間的抓取誤差、模擬維修單機的安裝誤差以及全局相機的安裝誤差規(guī)避掉，其中，^CT_t(t)∈R^4×4為機械手旋擰螺釘期間全局相機實時測量得到的電動工具相對全局相機測量坐標(biāo)系的變換矩陣，T(t)∈R^4×4為電動工具相對機械臂基座坐標(biāo)系的變換矩陣；

在本步驟中，閉環(huán)控制的解析點為電動工具末端坐標(biāo)系F_t的位姿，而非機械手抓握坐標(biāo)系F_e位姿，這種方法導(dǎo)致抓握電動工具前后末端坐標(biāo)系的D-H參數(shù)發(fā)生變化，因此，需設(shè)計一個適應(yīng)這種變化的視覺伺服控制器，視覺伺服控制器和控制算法的實施方案包含以下兩個步驟：

(1)視覺伺服控制器設(shè)計與分析；

視覺伺服控制器以全局相機測量坐標(biāo)系F_c為參考，t時刻電動工具姿態(tài)矩陣R_t采用Rodrigues公式表示為：

式中，R_t∈R^3×3，I為3行3列的單位陣，A_t∈R^3×3為以F_c為參考系描述的單位長度的旋轉(zhuǎn)軸所對應(yīng)的扭矩陣，θ_t∈[0,180°]為對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角；R表示實數(shù)，R_t表示t時刻電動工具姿態(tài)矩陣；

t+1時刻，視覺伺服控制器控制機械臂運動使電動工具姿態(tài)變化，變化后的電動工具姿態(tài)仍以全局相機測量坐標(biāo)系F_c為參考表示為矩陣R_t+1：

R_t+1＝R_mR_t (2)

式中，R_t+1∈R^3×3，R_m∈R^3×3表示機械臂運動導(dǎo)致電動工具姿態(tài)的變化矩陣；R_t+1表示t+1時刻電動工具姿態(tài)矩陣；

設(shè)計控制算法，令比例控制器Kp的系數(shù)為α，則

其中，α∈(0,1)；B_t∈R^3×3為對應(yīng)矩陣R_m的單位長度的旋轉(zhuǎn)軸所對應(yīng)的扭矩陣，B_t與A_t對應(yīng)的方向向量的夾角在170°～190°之間；

(2)視覺伺服控制算法收斂證明；

為證明機械手抓住電動工具后能夠在全局相機的視覺閉環(huán)下保證收斂到標(biāo)定姿態(tài)，需證明以下內(nèi)容：

θ_t+1＜θ_t (4)

其中，θ_t+1為對應(yīng)姿態(tài)矩陣R_t+1的軸角；為對應(yīng)A_t的轉(zhuǎn)軸的單位方向向量；為對應(yīng)A_t+1的轉(zhuǎn)軸的單位方向向量；ε為小量；

總能找到一個坐標(biāo)系F，在這個坐標(biāo)系F下能夠描述電動工具在t時刻A_t對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸為：

則，B_t對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸為

其中，由于B_t與A_t對應(yīng)的方向向量的夾角在170°～190°之間，因此

c∈[-1,0) (8)

|s|＜ε (9)

c²+s²＝1 (10)

式中，C表示B_t對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸向量的第一個元素，S表示Bt對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸向量的第二個元素；

在坐標(biāo)系F下討論，將式(6)代入式(1)，式(7)代入式(3)后，有如下關(guān)系：

將式(11)和式(12)代入式(2)，可得：

其中，為簡化矩陣R_t的表達形式，這里令D₁＝sinθ_t；D₂＝sinαθ_t；

E₁＝1-cosθ_t；E₂＝1-cosαθ_t；

根據(jù)Rodrigues公式，

即，

式中所有包含1-cosαθ_t的量均為關(guān)于αθ_t在零附近的二階無窮小量，

-2sinθ_tsinαθ_tc為大于零的代數(shù)項；

因此，當(dāng)α足夠小，有cosθ_t+1-cosθ_t＞0，即：

θ_t+1＜θ_t (16)

根據(jù)Rodrigues旋轉(zhuǎn)公式的逆變換，已知旋轉(zhuǎn)矩陣R_t+1，則其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸為

將式(13)的對應(yīng)元素代入式(17)，可得

利用式(6)和式(18)，計算則有：

式(19)為關(guān)于αθ_t在零附近的二階無窮小量，當(dāng)α足夠小，轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸的方向變化很小，即

綜合式(16)和式(20)，表明在每個機械臂閉環(huán)控制周期內(nèi)，機械手帶著電動工具在全局相機視覺閉環(huán)的反饋下，以很小的姿態(tài)方向變化，朝著減小初始時刻電動工具姿態(tài)偏差的姿態(tài)角度變化，即當(dāng)α足夠小，滿足需要證明的式(4)和式(5)，控制算法保證電動工具在機械臂的運動下收斂至標(biāo)定姿態(tài)。