文摘
空间站机械臂做很多任务与接触力/力矩轨道。确保安全的空间站和机械手,机械手的接触力/力矩必须被控制。基于分析典型任务的工作流程和力的控制要求,如ORU(轨道替换单元)替换和双手臂协作有效载荷运输、阻抗控制方法基于手腕6轴力/力矩反馈设计。阻抗控制算法的工程实现的离散化方法和阻抗控制参数选择原则也进行了研究。验证合规控制算法、地面实验平台采用工业机械手。为了消除重力的影响,实时重力补偿算法。然后,实时重力补偿和力合规的正确性验证控制算法的实验平台。最后,ORU替换和双手臂协作有效载荷运输实验完成。实验结果表明,该力合规控制方法提出了可以控制接触力和扭矩的机械手在执行典型的任务。
1。介绍
空间机械臂在轨组装完成,观察和检查、故障模块更换,燃油注入等在轨工作。同时,机械手有能力适应微重力、高温、高辐射空间环境(1]。国际空间站建设和维护的经验表明,宇航员出舱活动和工作压力的风险降低,效率提高的同时利用空间机械手。所以它在经济和安全使用具有重要意义空间机械臂在空间站2]。
现在中国空间站正在建设中。如图1,国际空间站由CM(核心模块)、EM(实验模块)1,2。CM负责控制和管理整个空间站,和EMs是主要用于空间科学实验和应用程序(3,4]。类似于SSRMS(空间站远程操纵系统)和JEMRMS(日本实验模块远程控制器系统)在国际空间站,中国空间站也配备了CSSRMS(中国空间站遥控操作器系统),其中包括CM机械手和EM操纵者。长度的CM机械手和EM机械手是大约10米和5米,分别和最大负荷25000公斤和3000公斤,分别。CM机械手和EM机械手可以独立工作或共同完成建设和维护任务5]。CM机械手主要用于完成空间站舱搬迁,航天器捕获和对接援助,宇航员伊娃的支持,等等。EM机械手的主要任务包括接触载荷保健和交通和宇航员EVA援助(4]。此外,一个机械手不能覆盖所有的操作空间,所以一些任务应该由两个机械手的协作完成操作。例如,当安装他们的太阳能机翼,首先,CM机械手取出货船的太阳能机翼;然后,太阳能机翼由CM转移到新兴市场操纵者操纵;最后,新兴市场操纵者提供的太阳能机翼后面部分实验模块安装。
CSSRMS的一些任务,如ORU置换、接触载荷增加,和双手臂协作传输,有一个强制关闭由于机械手和操作对象之间的联系,和接触力应该控制以确保安全的空间站和操纵者。机械手的力控制方法可分为被动合规和主动合规。被动合规取决于机械手的结构特点或额外的兼容设备,而主动合规是通过设计相应的控制算法。被动合规设备具有较高的特异性和适应性差,所以它的应用范围是有限的。主动合规控制策略有很多,如阻抗控制、力/位置混合控制、自适应控制和智能控制。兼容的选择矩阵力/位置混合控制取决于环境和特定的任务,所以控制算法的鲁棒性差6]。自适应控制理论是复杂的,它同时需要更多的参数,所以很少用于工程。智能控制策略是一种新的机器人控制方法,利用神经网络控制和模糊控制。这个方法并不是很成熟,它有一些局限性。霍根解决上述问题,提出了阻抗控制方法。阻抗控制方法不直接控制所需的力和机械手的位置,但是通过调整动态最后姿势和接触力之间的关系。它提供了一个统一的框架,机械手控制在自由空间和兼容的运动与环境接触(7]。2006年,吉田和录像介绍了阻抗控制在自由飞行空间机器人(8]。等人指出,史托非等阻抗控制技术提供了显著的优势在把握和捕捉操作空间,和它的光滑,柔软的操作效果有显著优势限制扰动在飞船的态度9]。
菲利普-马萨(力/力矩调节控制)方法来控制接触力/力矩SPDM(专用灵巧机械手)在轨道上的国际空间站和机械手表达卫星(10,11]。在这种方法中,机械手的控制命令结束速度在笛卡尔空间。力反馈变换矩阵是根据预期的终端阻抗特性设计的机械手在执行任务,联系和接触力/力矩由六轴力/力矩传感器测量;然后,最终获得的速度调整值测量接触力/力矩和力反馈变换矩阵。菲利普-马萨的方法是一种阻抗控制。精细操作在JEMRMS也配备了六轴机械手手腕力/力矩传感器,但接触力转化为位置调整值通过选定的当量,潮湿,与菲利普-马萨和刚度矩阵,这是不同的方法(12]。一些研究人员对空间机械臂阻抗控制算法做了一些改进。江等人提出一个MHIC ORU替代品(修改后的混合动力阻抗控制)的策略基于地面试验台。实验结果表明,MHIC可以减少不确定性的接触力约束环境(13]。莫等人提出一个阻抗控制和力信号补偿manipulator-assisted空间交会对接任务。仿真实验结果表明,该算法既能有效对接成功,减少接触力(14]。
本文的其余部分组织如下。节2、任务流的典型任务需要迫使合规控制进行了分析,包括ORU载荷替换和双手臂协调有效载荷运输;部分3详细设计力合规控制算法执行这些任务;节4力,地面实验平台验证合规控制方法是使用两个工业机械手;部分5提出了典型任务的实验结果,并讨论了结果;结论是在上一节。
2。典型的在轨任务分析
本文主要研究ORU载荷力合规控制方法替换和双手臂协作有效载荷运输;因此,上述两个任务的任务流首先详细分析了。
2.1。ORU载荷替换
中国空间站的ORU通常是安装在被动PCM(负载连接机制)的一部分。一侧的被动PCM的一部分,有一个EM机械手终端执行器适配器或CM机械手终端执行器适配器,而另一方面,有一些引导针(图2)。PCM的积极作用是固定在公开的平台上,有一些针孔与指导表面对应别针在被动的情况下,有一个锁定机制来锁定被动的部分。一个可用的方案EM机械手终端执行器类似于时代的末端执行器(欧洲机械臂),它有一个斜导轨面之间的初始偏差纠正机械手终端执行器和适配器15]。
ORU替换有4个阶段的任务流,ORU提取旧,旧ORU插入、ORU提取新的,新的ORU安装(图3)。ORU提取阶段,在旧的空间站机械臂掌握和拿出老ORU PCM的活跃部分安装在公开的平台。在第二阶段中,空间站机械臂和捕获的老ORU从最初的姿势,这是第一阶段的最终构成,活跃的顶端部分PCM密封舱的小屋,并将旧的ORU插入PCM。在第三阶段,一个新的ORU是从密封舱中的另一个PCM小屋中提取的。在最后阶段,从密封舱ORU移动机械手捕捉新小屋公开的平台,和新ORU插入到PCM在公开的平台上(16]。
(一)
(b)
(c)
(d)
每个阶段可分为4子阶段,这是免费的运动阶段,近似运动阶段,对接/释放运动阶段,和插入/拔出运动阶段(15]。在自由运动阶段,机械手只需要从最初对附近的ORU PCM取代或活动的一部分。之间有一个安全的距离机械手终端执行器和周围的环境,和机械手使用位置或速度控制的方法来实现所需的姿势。
在近似运动阶段,机械手接近目标的指导下视觉相机。在近似运动的结束阶段,终端执行器必须在适配器的指导范围,或被动部分的销PCM必须在针孔的指导范围。在近似运动阶段,意外接触可能发生因为运动误差,环境变化或其他因素。因此,机械手的结束应该兼容在各个方向,以避免大机械手与环境之间的接触力。
在对接运动阶段,机械手末端效应进一步沿着适配器方法适配器正常方向和指导终端执行器的表面首先接触适配器。接触力的影响下,初始偏差效应和适配器之间不断的纠正指导表面,和效应锁直到效应完全插入适配器。正常方向,机械手是需要有一个更大的刚度,以确保效应不断靠近适配器。在其他方向,有运动终端执行器和适配器之间的约束,因此,机械手应兼容。释放阶段,机械手使用位置控制沿法线方向的适配器,和通过运动规划,机械手末端执行器的适配器直线沿法线方向的适配器。同时,为了确保安全的释放操作,机械手采用强迫合规控制策略控制接触力/力矩在其他方向。
插入运动阶段指的是过程,操纵器插入的被动部分PCM的ORU PCM积极的作用,最终,ORU固定在活跃的部分。类似于对接运动阶段,别针被动部分接触表面针孔的指导活动首先如果有一部分造成错误。接触力的影响下,别针和小孔的初始偏差纠正指导表面不断,直到所有针完全插入到针孔。最后,活动部分锁被动部分完全。确保被动部分不断接近活跃部分,机械手是需要更大的正常方向刚度PCM活跃的部分。在另一个方向,有运动约束的销和针孔之间,因此,机械手应兼容。退出运动阶段是相反的。
2.2。双手臂协作有效载荷运输
建设和维护过程中,中国空间站大型有效载荷通常由货运飞船应该运送到指定位置的空间站,但是CM机械手操作空间不能覆盖整个空间站,所以这些任务应该由两个机械手完成的合作。以EM的太阳能机翼运输为例,CM机械手首先拿出货船停靠的太阳能机翼与CM,并将其交接的位置,在新兴市场操纵者也可以达到,然后,CM的每个关节机械手刹车。之后,CM机械手等待EM机械手获取太阳能翼。类似的ORU替换过程中部分2.1,新兴市场操纵者获得的太阳能机翼的流动可分为自由运动阶段,近似运动阶段,对接运动阶段,两个胳膊亲密链运动阶段,退出运动阶段。
在自由运动阶段,新兴市场操纵者接近末尾的太阳能机翼CM操纵者。从CM机械手的实际长度达到10米,它有很强的灵活性,即使在制动的情况下振动。在近似运动阶段,EM机械手轨迹和进一步接近新兴市场操纵者适配器的太阳能机翼的指导下视觉相机。最后这个阶段,新兴市场操纵者适配器上的太阳能机翼进入新兴市场操纵者效应的捕获范围。EM机械手应该兼容的四面八方,以避免更大的机械臂之间的接触力和环境,以确保安全。在对接阶段,EM机械手终端执行器捕获和锁EM机械手适配器的太阳能机翼。在适配器的法线方向,机械手是需要有一个更大的刚度。在其他方向,机械手应兼容。对接阶段后,CSSRMS进入关闭链运动模式。由于厘米操纵者的振动,电磁操纵国应当兼容的控制方式在所有的方向,和EM机械手遵循CM操纵者被动。 The pulling out motion stage refers to the process, in which the EM manipulator pulls the CM manipulator adapter on the solar wing from the CM manipulator end effector. In this stage, the EM manipulator control requirements are similar to the docking stage, but the motion direction is the opposite.
3所示。合规控制方法研究
3.1。合规控制算法设计
基于上述分析,本文采用定位阻抗控制方法,控制原理框图如下所示(图4)。在图4,是笛卡尔空间目标姿态空间站机械臂的命令;机械手的逆运动学;是纯之间的接触力的机械手和环境,然后呢是预期的接触力。 是预期的系统的阻抗特性。 , 和预期的惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。 , 和都是对角矩阵,代表自由的操纵者。
从图可以看出4,因为不同实际接触力和预期之间的接触力,姿势调整值在笛卡尔空间的机械手
根据笛卡尔空间构成的命令和姿势调整值 ,所需的机械手的姿势是获得。然后,联合命令是通过逆运动学和发送到关节的控制器。
通过详细分析在轨任务部分2在近似运动阶段和关闭链运动阶段,机械手的结束从各个方向应该是兼容的,所以笛卡尔空间构成调整值是
在方程(2), , ,和位置调整值的吗 , ,和在笛卡尔空间的方向。 , ,和调整价值态度的角度。 , ,和接触力在吗 , ,和的方向。 , ,和是接触扭矩。 , , , , ,和预计在各个方向惯性参数通过阻抗控制的六维力/力矩传感器坐标系。 , , , , ,和预计阻尼参数通过阻抗控制各个方向沿着六维力/力矩传感器坐标系。 , , , , ,和预计在各个方向刚度参数通过阻抗控制的六维力/力矩传感器坐标系。
在对接/释放和插入/退出运动阶段,以确保效应接近或远离适配器沿法线方向的适配器,或被动的一部分PCM接近或远离活动部分沿法线方向的活动部分,使用位置控制模式在这个方向上刚度和精度高。同时,接触力应该监控正常的方向发展。当接触力太大,运动将会停止。在其他方向,有运动约束,所以上面的阻抗控制方法用于防止高接触力/力矩。如果适配器的法线方向和PCM的积极的作用轴,然后,
在一个控制周期,位置调整值在方向是 ,提前提供根据任务执行时间。当的接触力方向大于给定的阈值和触发限位开关与此同时,它可以决定对接或插入运动阶段结束,因此,机械手停止。必须指出,方程(3)只适用于插头和提取操作方向,不可避免地具有一定的局限性。然而,在已知的操作对象和环境,如ORU替换操作的空间站,该方法可用于完成操作任务。
3.2。阻抗控制算法的离散化
为了实现在电脑控制器,部分的阻抗控制算法3.1需要离散。根据方程(1),
和在方程(4)可以表示为,
在方程(5)和(6),是系统采样周期。 , ,姿势调整值在当前采样周期和最后两个采样周期。可以表示为方程(7)用方程(5)和(6)方程(4),
让我们把方向为例(离散化在另一个方向是一样的方向),姿势调整值在当前采样周期是
在方程(8), , ,和组件在的方向 , ,和 。方程(8)显示当前的姿势调整值有一个和当前力偏差之间的关系最后两个采样周期的姿势调整值和 。当计算第一和第二姿势调整值,可以认为和为零。
3.3。阻抗控制参数的选择
为了确定合理的阻抗参数 , ,和 ,一维阻抗控制模型的基础上分析了方程(4)和简化的二阶系统模型表示为:
, ,和加速度、速度和位置调整值在一维空间。是纯粹的干扰力。 , ,和预期的惯性,阻尼和刚度。下面的传递函数得到的方程进行拉普拉斯变换(10)。
在方程(11),
阻尼比,的固有频率阻抗控制系统。在控制系统中发挥着重要作用稳定和过度的接触力。的增加可以提高控制系统的稳定性,但同时接触力过度增加。在实践中,目标刚度阻抗控制是决定首先根据稳态误差和最大允许接触力误差。如果环境刚度 ,目标刚度应该远低于环境刚度和阻尼比吗需要满足以下方程(15)[17),
根据经验,阻尼比通常是1 - 15 (18),然后,决定根据操作任务需求和系统信号延迟。最后,所需的惯性和阻尼确定根据方程(13)和(14)。
3.4。实时重力补偿
因为六维力/力矩传感器安装在机械手末端关节和末端执行器之间,所以如果合规控制实验是在地面上,力/力矩传感器测量值不仅包括纯接触力和终端执行器的严重性还包含负载的重力载荷时被俘。因为阻抗控制算法的输入是纯粹的接触力 ,重力条件必须得到补偿。如果力合规控制在太空的失重环境,重力不需要补偿。齐次变换矩阵和力/力矩传感器坐标之间的坐标机械手的基础
在方程(16),是齐次变换矩阵之间的力/力矩传感器坐标和终端执行器坐标,知道之前的装配关系。可以通过正运动学计算。如果重力场基本坐标系 ,纯粹的接触力向量是,
在方程(17),没有一个有效载荷时,是矢量末端执行器相对于质心的力/力矩传感器坐标的起源。当有负载在机械手的目的,是组装的质心的向量由终端执行器和负载相对于原点的力/力矩传感器坐标。
4所示。地面实验验证平台
地面试验验证平台是为了验证合规控制算法的设计。平台包括力/力矩传感器采集系统,模拟EM机械手,机械手模拟厘米,末端执行器模拟,模拟ORU,暴露和模拟平台。其中,模拟EM操纵者的长度是0.9米,和它的额定负载是5公斤。模拟CM机械手的长度是1.4米,和它的额定负载是8公斤。
模拟终端执行器安装在模拟电磁操纵国(图5(一个))。因为终端执行器之间的接口和EM机械手是圆形的有效负载,模拟终端执行器也设计成圆形。模拟终端执行器的锁定机制是实现由一个电磁铁,其最大吸水力是250 N,这是由中央控制器的I / O端口模拟EM操纵者。六轴力/力矩传感器的模型是Mini45 si - 290 - 10之间安装的终端执行器和最后一个关节模拟机械手。力传感器的测量范围为290 N,和扭矩测量范围是10纳米。传感器的输出信号调整信号放大器,然后,NI 6220年收集的数据发送到模拟电磁操纵国的中央控制器。
(一)
(b)
根据计数比真正的空间站机械臂和模拟之间的新兴市场操纵者,模拟ORU载荷设计的长方体 ,和模拟适配器安装在6的ORU载荷(图5 (b))。根据界面形状和EM机械手终端执行器原理,模拟适配器也设计成圆柱形,50 mm的外径和内径的30毫米。模拟终端执行器可以插入锁适配器的电磁铁。10毫米槽设计的模拟适配器来模拟真正的EM机械手的指导表面效应。
由一个简单的暴露平台桁架结构在平台(图6(一))。因为真正的PCM与导轨面采用圆形针孔与销、活跃的设计模拟PCM如图的一部分6 (b)也设计成圆形。指导表面设计的活动模拟PCM的一部分。它的直径是80毫米,和指导的倒角表面是30毫米。的被动部分模拟PCM与适配器图是一样的5 (b)。
(一)
(b)
5。实验结果和讨论
本节首先验证重力补偿算法的正确性,迫使合规控制算法;ORU替换和双手臂然后,协作有效载荷运输实验平台上进行。
5.1。力合规控制算法验证
合规控制算法来验证力量,末端执行器设置为一个固定值,和机械手设置有效合规控制模式。外部力量是应用于机械手的结束。每个方向的力/力矩重力补偿后的机械手和相应的姿势调整值被记录。在这个实验中,阻抗参数确定:
预期的接触力和扭矩的操纵者是[0 0 0 0 0 0]。阈值参数在钝化模块4 N ( )和0.5 Nm ( )。有两个曲线在图7。一个曲线的横纵坐标是采样时间,纵纵是纯接触力的实际价值在重力补偿。其它曲线的横纵坐标是采样时间,但纵向纵是最后的姿势调整值乘以所需的刚度 。从图7,可以看出机械手是稳定和固定在没有外力的情况下,初始位置和姿势调整值为0。受到外力时,阻抗控制算法使机械手的结束对遵循纯粹的接触力迅速,准确的说,和实验结果显示出良好的控制效果。上述结果验证力合规控制算法的正确性,以及控制参数的选择是合理的。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
5.2。ORU替代实验
ORU载荷替代实验如图8。因为阻抗控制方法是相同的旧ORU提取阶段,旧ORU插入、ORU提取新,ORU安装和新,因此,本节只ORU插入阶段的实验结果进行了分析。
在实验之前,模拟他们的终端执行器机械手与停靠ORU达到顶端的活跃的一部分PCM安装在桁架(图9(一个))。被动部分PCM是活跃的捕捉范围,也就是说,当新兴市场操纵者沿着法线方向移动的活性PCM的一部分(方向),被动部分安装的ORU将接触表面的指导下积极PCM的一部分。ORU插入阶段开始时,新兴市场操纵者移动沿Z方向和PCM的被动部分接触的指导表面活性(图的一部分9 (b))。EM机械手的姿势调整槽的接触力不断的活跃PCM的一部分,直到被动部分插入到绝对积极的作用(图9 (c))。然后,电磁铁的活跃部分是精力充沛,主动和被动的PCM是锁着的,这意味着ORU插入阶段(图9 (d))。
(一)
(b)
(c)
(d)
图10是纯接触力和扭矩在插入阶段获得的。图11机械手的实时姿态结束在插入阶段。力/力矩传感器的采样周期是2女士,和阻抗控制周期是20毫秒。在方向除了前8.5秒轴,因为模拟电磁操纵力合规控制方式,最后提出的机械手调整遵循纯接触力和扭矩的变化,所以接触力和力矩总是0附近摆动。因为机械手在位置控制模式方向,在这个方向线性变化,主动和被动部分PCM是密切的相互关系。8.5秒后,被动PCM的一部分是完全插入到活跃的一部分,和接触力沿方向迅速增加,直到达到设定阈值2 N,表明插入过程已经完成。然后,机械手停止移动,位置,接触力和转矩保持不变。
(一)
(b)
(一)
(b)
5.3。双手臂协作有效载荷运输实验
双手臂协作有效载荷运输实验如图12。在实验平台中,操纵者,左边是模拟厘米,右边是模拟机械手。
实验开始时,负载被捕获的模拟厘米机械手,机械手动作和模拟厘米微机械手来模拟真实的振动厘米,和模拟EM机械手终端执行器完全对接与载荷的适配器,但它不是锁(图(13日))。这个实验主要是模拟过程的模拟EM机械手终端执行器锁定有效负载,两个胳膊闭链运动,模拟厘米机械手终端执行器打开负载,以及新兴市场操纵者退出的有效载荷。
(一)
(b)
(c)
(d)
在整个实验过程中,CM机械手位置控制模式,和它的结束动作在XY平面三角形的轨迹与10毫米/秒的速度来模拟振动。实验开始时,模拟EM机械手终端执行器电磁铁通电立即锁有效载荷适配器(图(13日))。EM对接机械手处于控制状态,即。,in position control mode in the Z direction, in compliant control mode in the other directions. In Figure13 (b),两臂系统是在闭链运动阶段,模拟EM机械手是按照控制方式向四面八方扩散。在图13 (c)CM机械手终端执行器释放载荷,而新兴市场操纵者的载荷转移轴逐渐远离CM机械手终端执行器;其他方向的新兴市场操纵者合规控制方式。图13 (d)表明,新兴市场操纵者与载荷分离成功CM机械手,EM机械手是准备进入位置控制方式传输负载到另一个位置在一个自由的空间。
图14获得的是纯接触力和扭矩力/力矩传感器安装在模拟EM操纵者的结束。图15是实时模拟EM机械手的姿势。数据的虚线14和15表示状态变化的模拟机械手。在图14从0到7,因为新兴市场操纵者在对接阶段,模拟EM操纵者的接触力轴是大。在其他方向,由于合规控制的影响,模拟EM机械手遵循模拟厘米机械手在接触力/力矩,和接触力/力矩是0附近振荡。从7到13年代,机械手系统是紧密连锁运动阶段,模拟EM机械手是按照控制方式在所有轴。模拟EM机械手是机械手的结束振动模拟厘米,和接触力沿模拟的方向EM操纵者往往减少,而其他的接触力保持在0。从13到15年代,CM机械手效应是解锁。EM机械手的位置方向逐渐增加,接触力在其他方向仍是0附近振荡,表明新兴市场操纵者携带有效载荷从CM操纵国效应。通过以上实验,证明力合规控制方法提出了部分3.1可用于双手臂协作有效载荷运输,可以有效地控制和接触力/力矩。
(一)
(b)
(一)
(b)
6。结论
在中国空间站的建设和运营阶段,大量的轨道任务与接触力存在。鉴于ORU替换和双手臂协作有效载荷的要求运输、任务流和合规控制分析首先要求力量。分析结果表明,在上述任务的不同阶段,新兴市场操纵者应该有效合规控制方式在部分或所有的方向,和一个基于位置的阻抗控制方法在笛卡尔空间中采用本文控制接触力/力矩。通过收集接触力/力矩的机械手使用传感器,根据获得的笛卡尔空间构成调整值所需的惯性,阻尼和刚度参数。对于工程实现,本文还分析了关键参数的选择方法在阻抗控制和研究阻抗控制算法的离散化方法。为了验证控制算法的有效性,实验平台构建了工业机械手。为了消除重力的影响,实时重力补偿算法研究得到纯粹的接触力和力矩。使用上面的实验平台,实时的正确性重力补偿和合规控制算法首先验证。然后,ORU替换和双手臂协作有效载荷进行运输,和实时结束收集和纯粹的接触力/力矩。实验结果表明,该力合规控制方法提出了可以控制接触力和扭矩的机械手在执行典型的任务。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
没有报告的作者潜在的利益冲突。