[發(fā)明專利]一種空間機(jī)器人抓捕控制系統(tǒng)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法及動(dòng)力學(xué)建模方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811333587.2
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號(hào): CN109605365A
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄔樹楠;劉帥;吳志剛;初未萌;王恩美
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李洪福

本發(fā)明公開了一種空間機(jī)器人機(jī)械臂抓捕控制系統(tǒng)，包括內(nèi)、外兩個(gè)回路；在外回路中，系統(tǒng)通過PD控制器實(shí)現(xiàn)抓捕過程中空間機(jī)器人機(jī)械臂基座平臺(tái)的姿態(tài)穩(wěn)定；在內(nèi)回路中，系統(tǒng)通過基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對非合作目標(biāo)的抓捕機(jī)動(dòng)。本發(fā)明還進(jìn)一步的公開了一種用于控制系統(tǒng)內(nèi)回路中機(jī)械臂強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法，以及空間機(jī)器人機(jī)械臂抓捕控制系統(tǒng)的空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模方法。本發(fā)明相比PD控制，強(qiáng)化學(xué)習(xí)RL控制下的基座平臺(tái)姿態(tài)擾動(dòng)更小，機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)過程更平穩(wěn)，控制精度更高，且使強(qiáng)化學(xué)習(xí)RL控制下的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)靈活性好，更具有自主智能性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉機(jī)器人控制領(lǐng)域，尤其涉及一種空間機(jī)器人機(jī)械臂抓捕控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

近年來，越來越多的衛(wèi)星被發(fā)射升空，盡管衛(wèi)星任務(wù)失敗大部分是因?yàn)檫\(yùn)載火箭發(fā)射失敗，但在軌故障也是影響衛(wèi)星任務(wù)失敗的重要原因，還有許多衛(wèi)星因?yàn)槿剂虾谋M或電力供應(yīng)不足而無法繼續(xù)完成工作，嚴(yán)重影響衛(wèi)星的使用壽命。由于惡劣的太空環(huán)境對于宇航員艙外作業(yè)有著較大風(fēng)險(xiǎn)，而空間機(jī)器人完全可以替代人類完成這些艙外空間作業(yè)，可廣泛應(yīng)用于在軌維修、燃料加注與在軌組裝等多方面的在軌服務(wù)任務(wù)中，已成為多個(gè)國家的研究熱點(diǎn)。機(jī)械臂與基座平臺(tái)組成高度耦合的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響空間機(jī)器人基座平臺(tái)的姿態(tài)穩(wěn)定，這些問題都對空間機(jī)器人的在軌穩(wěn)定控制提出了較大的挑戰(zhàn)，關(guān)系到在軌服務(wù)任務(wù)的成功與否。本發(fā)明專利提出一種智能控制方法對空間機(jī)器人進(jìn)行控制。

許多學(xué)者提出了針對空間機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定控制的方法。有針對空間機(jī)器人基座平臺(tái)可控的情況設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制方法，并在關(guān)節(jié)空間中對機(jī)械臂控制進(jìn)行了仿真計(jì)算。有提出了帶擾動(dòng)觀測器的魯棒控制策略，將模型的不確定性與外界的干擾集中在一起，在機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)了擾動(dòng)觀測器，結(jié)合PD控制完成對機(jī)械臂的控制。有提出了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法,對不確定部分用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似，并證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有將H∞控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，對自由漂浮空間機(jī)器人的操作手進(jìn)行了控制，并考慮了模型的不確定性與外界的擾動(dòng)。有在進(jìn)行空間機(jī)器人抓捕漂浮目標(biāo)的研究中，引入末端裝置抓取目標(biāo)時(shí)的碰撞模型，提出了動(dòng)態(tài)抓取域用于機(jī)械臂抓取目標(biāo)時(shí)的控制,同時(shí)應(yīng)用關(guān)節(jié)主動(dòng)阻尼控制,以減小抓取碰撞激振對空間機(jī)器人沖擊的影響。有針對載體位置、姿態(tài)均不受控并具有有界外部擾動(dòng)的漂浮基柔性兩桿空間機(jī)械臂振動(dòng)進(jìn)行了不主動(dòng)抑制的全局魯棒Terminal滑模控制。有在自由漂浮空間機(jī)器人系統(tǒng)中，考慮基座平臺(tái)的反作用干擾，對機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了軌跡優(yōu)化。有通過估計(jì)機(jī)械臂產(chǎn)生的角動(dòng)量，然后對基座平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償控制，對機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)與基座平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制。有提出在自由漂浮基下，由空間機(jī)械臂自身的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與基座平臺(tái)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的方法。有考慮反應(yīng)輪的方面來重新描述自由飛行空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，應(yīng)用一種新的自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制方法實(shí)現(xiàn)了受系統(tǒng)不確定性影響的空間機(jī)器人魯棒協(xié)調(diào)控制器。有針對空間機(jī)械手軌跡跟蹤問題，使用分散遞推控制策略，設(shè)計(jì)了分散魯棒控制器。

空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)與基座平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)相互耦合，為提高機(jī)械臂抓捕的精度與穩(wěn)定度，需要同時(shí)控制機(jī)械臂和基座平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。此外，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，因此抓捕過程中的空間機(jī)器人是一個(gè)時(shí)變的非線性耦合系統(tǒng)。傳統(tǒng)的控制器需要已知空間機(jī)器人系統(tǒng)精確的動(dòng)力學(xué)模型，且并沒有考慮目標(biāo)的非合作特性。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的空間機(jī)械手臂抓捕控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括內(nèi)、外兩個(gè)回路，在外回路中，通過PD控制器保證抓捕過程中空間機(jī)器人基座平臺(tái)的姿態(tài)穩(wěn)定；在內(nèi)回路中，通過基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制器以實(shí)現(xiàn)對非合作目標(biāo)的抓捕機(jī)動(dòng)。本發(fā)明還進(jìn)一步提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)空間機(jī)械臂抓捕控制方法，通過與外界環(huán)境的交互中學(xué)習(xí)得到控制律，提高空間機(jī)器人系統(tǒng)在軌工作的自主性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：