一种基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制方法

技术领域

本发明属于空间机器人柔顺控制领域，具体涉及一种基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制方法。

背景技术

空间在轨服务如在轨燃料加注、在轨元件维护或更换、空间碎片清理、失效卫星回收等，是提高航天器运行可靠性、延长航天器使用寿命、减少空间碰撞风险的重要保障。作为一种在轨服务航天器，柔性关节空间机器人由充液挠性卫星基座提供动力并配备柔性关节机械臂，能够更好地完成各种在轨服务任务，是目前航天领域的重点研究对象。

然而，柔性关节空间机器人的末端执行器与目标接触的过程中会产生接触力。接触力过大会对空间机器人系统和目标的部件造成损坏，严重威胁空间机器人系统的安全；接触力过小则会使得目标与机械臂之间的连接不牢固，容易造成目标脱离空间机器人的抓捕控制，从而导致任务的失败。另外，一些在轨制造与装配类服务任务需要精确控制空间机器人与目标之间的接触力，仅进行位置控制难以保证高控制精度的需求。因此，如何提高柔性关节空间机器人在轨服务过程中力控的柔顺性与精准性，是一个亟待解决的难题。

现有研究成果表明，阻抗控制是实现空间机器人柔顺控制的有效途径，且基于动力学模型的阻抗控制可以使机器人具有更高的响应速度、精度和稳定性。目前基于动力学模型的阻抗控制虽然已经可以使机器人具有较好的环境顺应性，但是没有考虑控制器的收敛速度，很难继续减小接触力造成的影响。而且，当期望接触力不为零时，力控制存在稳态误差，不适用于对接触力有精确要求的装配操作。此外，瞬间接触力可能会使控制指令过大而超出执行器的最大输出造成输入饱和现象，导致系统失稳。如何实现输入饱和情况下的柔性关节空间机器人快速阻抗控制，并减小期望接触力的稳态误差，是值得进一步研究的课题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种收敛速度快、稳态误差小的基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制方法。

实现本发明目的的具体技术方案为：

一种基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制方法，括以下步骤：

步骤1、构建柔性关节空间机器人的动力学模型，并确定其状态空间方程；

步骤2、构建关节空间下的接触力矩补偿器；

步骤3、构建柔性关节空间机器人关节空间下的期望阻抗模型，表征阻抗误差；

步骤4、构建固定时间干扰观测器，获取对空间机器人造成影响的外部干扰估计值；

步骤5、构建避奇异辅助函数，处理动态面方法中虚拟控制律求导奇异问题；

步骤6、构建抗饱和辅助系统，获取空间机器人的处理基座和关节执行器即控制力矩陀螺和关节电机输入饱和的辅助系统状态量；

步骤7、基于动态面方法与步骤1中的状态空间方程，根据步骤4中的干扰估计值、步骤5中的避奇异辅助函数以及步骤6中的辅助系统状态量，构建有限时间阻抗控制器，完成对柔性关节空间机器人的阻抗控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的技术方案构建的阻抗控制方法基于避奇异辅助函数可以避免奇异问题的出现且能使阻抗误差在有限时间收敛，提高了控制系统的响应速度；

(2)本发明的技术方案中设计固定时间干扰观测器与抗饱和辅助系统，能够提高控制系统的鲁棒性，而且可以解决控制过程中可能出现的输入饱和问题；

(3)本发明的技术方案中的接触力矩补偿器可以大大减小期望接触力的稳态误差。

附图说明

图1为本发明的基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制方法步骤流程图。

图2为本发明的基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制框图。

具体实施方式

一种基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建柔性关节空间机器人的动力学模型，并确定其状态空间方程，具体为：

步骤1-1、构建柔性关节空间机器人的动力学模型：

其中，q＝[q

步骤1-2、确定柔性关节空间机器人的状态空间方程：

其中，u

有如下假设：

(1)状态量x

(2)外部干扰力矩τ

(3)期望轨迹

步骤2、构建关节空间下的接触力矩补偿器，具体为：

补偿后的期望接触力矩为：

其中，v为接触力矩补偿器的速率因子，t

经过补偿器对期望接触力进行补偿后，可以使阶跃信号期望接触力稳态误差为0，并减小带有斜坡和正弦信号的期望接触力的稳态误差。

步骤3、构建柔性关节空间机器人关节空间下的期望阻抗模型，确定阻抗误差中间向量z，具体为：

所述的期望阻抗模型为：

定义基座和关节转角误差为：

e

辅助变换矩阵如下：

/>

上式可以通过一个低通滤波器实现，滤波器的输入为

则增广阻抗误差

其中，Λ，Γ均是正定对角矩阵，M

可以发现，

步骤4、构建固定时间干扰观测器，获取对空间机器人造成影响的外部干扰估计值，具体为：

其中，对于x＝[x

和/>

步骤5、构建避奇异辅助函数，处理动态面方法中虚拟控制律求导奇异问题，具体为：

sig

其中，ε

步骤6、构建抗饱和辅助系统，获取空间机器人的处理基座和关节执行器即控制力矩陀螺和关节电机输入饱和的辅助系统状态量，具体为：

/>

h

h

h

h

g

Δτ

Δτ

其中，χ

步骤7、基于动态面方法与步骤1中的状态空间方程，根据步骤4中的干扰估计值、步骤5中的避奇异辅助函数以及步骤6中的辅助系统状态量，构建有限时间阻抗控制器，完成对柔性关节空间机器人的阻抗控制，具体为：

步骤7-1、确定柔性关节空间机器人的虚拟控制律x

x

考虑到输入饱和的影响，定义过渡状态s

定义误差面如下：

式中：ω

的输出值；

式中：σ

定义基座和关节转角的参考速度和参考加速度为：

其中，

步骤7-2、确定柔性关节空间机器人的虚拟控制律x

其中：

g

步骤7-3、确定柔性关节空间机器人机械臂的实际控制律τ

其中，

步骤7-4、对柔性关节空间机器人基座和机械臂的实际控制律τ

其中，τ

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例

结合图1和图2，一种基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建柔性关节空间机器人的动力学模型，并确定其状态空间方程，具体为：

步骤1-1、构建柔性关节空间机器人的动力学模型：

其中，q＝[q

步骤1-2、确定柔性关节空间机器人的状态空间方程：

其中，u

有如下假设：

(1)状态量x

(2)外部干扰力矩τ

(3)期望轨迹

步骤2、构建关节空间下的接触力矩补偿器，具体为：

补偿后的期望接触力矩为：

其中，v为接触力矩补偿器的速率因子，t

经过补偿器对期望接触力进行补偿后，可以使阶跃信号期望接触力稳态误差为0，并减小带有斜坡和正弦信号的期望接触力的稳态误差。

步骤3、构建柔性关节空间机器人关节空间下的期望阻抗模型，表征阻抗误差，具体为：

所述的期望阻抗模型为：

定义基座和关节转角误差为：

e

辅助变换矩阵如下：

/>

上式可以通过一个低通滤波器实现，滤波器的输入为

则增广阻抗误差

其中，Λ，Γ均是正定对角矩阵，M

可以发现，

步骤4、构建固定时间干扰观测器，获取对空间机器人造成影响的外部干扰估计值，具体为：

其中，对于x＝[x

和/>

步骤5、构建避奇异辅助函数，处理动态面方法中虚拟控制律求导奇异问题，具体为：

sig

其中，ε

步骤6、构建抗饱和辅助系统，获取空间机器人的处理基座和关节执行器即控制力矩陀螺和关节电机输入饱和的辅助系统状态量，具体为：

/>

h

h

h

h

g

Δv

Δτ

其中，χ

步骤7、基于动态面方法与步骤1中的状态空间方程，根据步骤4中的干扰估计值、步骤5中的避奇异辅助函数以及步骤6中的辅助系统状态量，构建有限时间阻抗控制器，完成对柔性关节空间机器人的阻抗控制，具体为：

步骤7-1、确定柔性关节空间机器人的虚拟控制律x

x

考虑到输入饱和的影响，定义过渡状态s

定义误差面如下：

式中：ω

ω

式中：σ

定义基座和关节转角的参考速度和参考加速度为：

其中，

步骤7-2、确定柔性关节空间机器人的虚拟控制律x

其中：

g

步骤7-3、确定柔性关节空间机器人机械臂的实际控制律τ

其中，

步骤7-4、对柔性关节空间机器人基座和机械臂的实际控制律τ

其中，τ

本发明所的基于接触力矩补偿的柔性关节空间机器人快速阻抗控制方法，能够使阻抗误差快速收敛，有效克服外部扰动和输入饱和的影响，提高了接触力的控制精度。

以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。