基于动力学前馈的空间机器人多销孔装配力柔顺控制

doi:10.3901/JME.2019.04.207

机械工程学报 ›› 2019, Vol. 55 ›› Issue (4): 207-217.doi: 10.3901/JME.2019.04.207

基于动力学前馈的空间机器人多销孔装配力柔顺控制

董悫^1,2, 张立建^1,2, 易旺民^1,2, 万毕乐^1,2, 孟少华^1,2, 胡瑞钦^1,2

1. 北京卫星环境工程研究所北京 100094;
2. 北京市航天产品智能装配技术与装备工程技术研究中心北京 100094

收稿日期:2018-07-12 修回日期:2018-11-12 出版日期:2019-02-20 发布日期:2019-02-20
通讯作者: 张立建(通信作者),男,1983年出生,高级工程师。主要研究方向为航天器总装,机器人应用。E-mail:172842733@qq.com
作者简介:董悫,男,1983年出生,博士,工程师。主要研究方向为空间机器人、机器人控制、航天器总装。E-mail:dongeajintai@163.com
基金资助:
国家高技术研究发展计划资助项目（863计划，2015AA043101）

Force Compliance Control of Multi-peg-in-hole Assembling by Space Robot Based on Dynamic Feedforward

DONG Que^1,2, ZHANG Lijian^1,2, YI Wangmin^1,2, WAN Bile^1,2, MENG Shaohua^1,2, HU Ruiqin^1,2

1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094;
2. Beijing Engineering Research Center of the Intelligent Assembly Technology and Equipment for Aerospace Product, Beijing 100094

Received:2018-07-12 Revised:2018-11-12 Online:2019-02-20 Published:2019-02-20

摘要/Abstract

摘要： 多组销孔对接并固定是空间站舱外可移动仪器设备的最常用安装方式，其中多组销孔的自动对接是空间服务机器人能否代替航天员完成这一任务的关键。针对这一问题，首先对多销孔配合结构的特殊受力情况进行分析，提出适合的力柔顺控制方法，并针对微重力环境下机器人控制所面临的特殊问题，采用基于动力学前馈的控制方法，直接对关节进行力矩补偿，再基于所建立的机器人关节的数学模型，对前馈算法的补偿量进一步映射到电机电流环，从而进一步加快关节响应速度，保证力柔顺装配效果，最后分别针对所提出的力柔顺装配方法和前馈算法进行了模拟微重力试验和仿真试验，试验验证了所提出的针对空间多销孔对接的力柔顺装配控制方法的有效性。该方法为空间服务机器人安全完成舱外仪器设备安装任务提供了技术支撑，并可为空间服务机器人其他任务的安全稳定控制提供借鉴。

关键词: 电机模型, 动力学前馈, 多销孔对接, 空间机器人, 力柔顺

Abstract: Multi-peg-in-hole assembling and immobilization is the most commonly installation function of extravehicular mobile equipment, and the automatic docking is the key of Space robots replacing astronauts. Focusing on this problem, this paper analyses the special stress condition of multi-peg-in-hole structure, and proposes a suitable force compliance method. Then focusing on the special problem of robot control which is brought by micro-gravity environment, this paper uses a control method based on dynamics feedforward, and compensating the joint torque directly. Also it builds a mathematic model and mapping compensation value to current circle of motors, to speed up the response rate of robot joints, at last, the simulation experiments and micro-gravity experiments are presented to verify the effectiveness of proposed force compliance method. This method provides the basic technology of extravehicular mobile equipment assembling task for space robot, and also provides inspiring for other steady control manipulations of space robot.

Key words: dynamic feedforward, force compliance, motor model, multi-peg-in-hole assembling, space robot

中图分类号:

TP242

董悫, 张立建, 易旺民, 万毕乐, 孟少华, 胡瑞钦. 基于动力学前馈的空间机器人多销孔装配力柔顺控制[J]. 机械工程学报, 2019, 55(4): 207-217.

DONG Que, ZHANG Lijian, YI Wangmin, WAN Bile, MENG Shaohua, HU Ruiqin. Force Compliance Control of Multi-peg-in-hole Assembling by Space Robot Based on Dynamic Feedforward[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(4): 207-217.

参考文献

[1] 戚发韧. 载人航天器技术[M]. 北京:国防工业出版社, 2003. QI Faren. Manned spacecraft technology[M]. Beijing:National Defence Industry Press, 2003.
[2] CUCINOTTA F A, KIM M H Y, WILLINGHAM V, et al. Physical and biological organ dosimetry analysis for international space station astronauts[J]. Radiation Research, 2008, 170(1):127-138.
[3] KERN V D, BHATTACHARYA S, BOWMAN R N, et al, Life sciences flight hardware development for the international space station[J]. Adv. Space Res., 2001, 27(5):1023-1030.
[4] 胡其彪. 空间可伸展结构的设计与动力学分析研究[D]. 杭州:浙江大学, 2001 HU Qibiao. Structure design and kinematic and dynamic analysis research for spatial deployable structures[D]. Hangzhou:Zhejiang University,2001.
[5] FLORES-ABAD A, MA O, PHAM K, et al. A review of space robotics technologies for on-orbit servicing[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2014, 68:1-26.
[6] STOLL E, JAEKEL S, KATZ J, et al. SPHERES interact-human-machine interaction aboard the international space station[J]. Journal of Field Robotics, 2012, 29(4):554-575.
[7] LI H, CECCARELLI M, HUANG Q, et al. Problems and requirements for a chameleon-like service robot in space station[C]//Advanced Intelligent Mechatronics(AIM), 2011 IEEE/ASME International Conference on. IEEE, 2011:463-468.
[8] 于秀丽, 魏世民, 廖启征. 仿人机器人发展及其技术探索[J]. 机械工程学报, 2009, 45(3):71-75. YU Xiuli, WEI Shimin, LIAO Qizheng. Development and technology research of humanoid robot[J]. Journal of Mechanical Engineering 2009, 45(3):71-75.
[9] 董楸煌, 陈力. 双臂空间机器人捕获非合作目标冲击效应分析及闭链混合系统力/位形鲁棒镇定控制[J]. 机械工程学报, 2015, 51(9):37-44. DONG Qiuhuang, CHEN Li. Impact effect analysis of dual-arm space robot capturing a non-cooperative target and force/position robust stabilization control for closed-chain hybrid system[J]. Journal of Mechanical Engineering 2015, 51(9):37-44.
[10] 谢立敏, 陈力. 漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑膜控制及双重柔性振动主动抑制[J]. 机械工程学报, 2015, 51(1):76-82. XIE Limin, CHEN Li. Modeling, saturation robust Fuzzy sliding control and vibration suppression of free-floating flexible-joint flexible-link space robot[J]. Journal of Mechanical Engineering 2015, 51(1):76-82.

[1]	李文皓, 张珩, 马欢, 肖歆昕. 大时延环境下空间机器人的可靠遥操作策略[J]. 机械工程学报, 2017, 53(11): 90-96.
[2]	董楸煌, 陈力. 双臂空间机器人捕获非合作目标冲击效应分析及闭链混合系统力/位形鲁棒镇定控制[J]. 机械工程学报, 2015, 51(9): 37-44.
[3]	谢立敏,陈力. 漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑模控制及双重柔性振动主动抑制[J]. 机械工程学报, 2015, 51(1): 76-82.
[4]	梁捷;陈力. 柔性臂空间机器人基于虚拟力概念的神经网络L2增益鲁棒控制[J]. , 2012, 48(23): 23-29.
[5]	陈志煌;陈力. 闭链双臂空间机器人抓持载荷基于径向基函数神经网络的补偿控制[J]. , 2011, 47(7): 38-44.
[6]	史也;梁斌;王学谦;徐文福. 基于量子粒子群优化算法的空间机器人非完整笛卡尔路径规划[J]. , 2011, 47(23): 65-73.
[7]	魏承;赵阳;王洪柳. 基于滑模控制的空间机器人软硬性抓取[J]. , 2011, 47(1): 43-47.
[8]	关立文;程宁波. 锻造操作机相似模型逆动力学建模与非线性控制器设计[J]. , 2010, 46(11): 55-61.
[9]	姚燕生;梅涛. 空间操作的地面模拟方法——水浮法[J]. , 2008, 44(3): 182-188.
[10]	王从庆;张承龙. 自由浮动柔性双臂空间机器人系统的动力学控制[J]. , 2007, 43(10): 196-200.
[11]	张宇;郝悍勇;孙增圻. 柔性宏刚性微空间机器人末端连续轨迹跟踪控制研究[J]. , 2005, 41(8): 125-131.
[12]	叶平;孙汉旭. 具有冗余度的三分支空间机器人逆运动学分析[J]. , 2005, 41(11): 58-62.
[13]	陈力;刘延柱. 漂浮基空间机器人协调运动的自适应控制与鲁棒控制[J]. , 2001, 37(8): 18-22，2.
[14]	任敬轶;孙汉旭. 一种三分支空间机器人的位姿反解[J]. , 2001, 37(10): 64-69.
[15]	何广平;王凤翔;陆震. “被动冗余度”空间机器人运动学特性分析[J]. , 2000, 36(8): 59-63.

基于动力学前馈的空间机器人多销孔装配力柔顺控制

Force Compliance Control of Multi-peg-in-hole Assembling by Space Robot Based on Dynamic Feedforward

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价