一種可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其具有雙臂、軀干、機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)將由雙臂、軀干、扶手組成的剛性閉鏈系統(tǒng)解耦為兩個開鏈的機(jī)械臂，并對所述開鏈的機(jī)械臂分別采取位置控制、阻抗柔順控制，從而減小由機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器同時抓握扶手所形成的閉合鏈內(nèi)的紛爭力，大大提高了機(jī)器人宇航員在空間站艙內(nèi)攀爬的穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，適用于雙臂機(jī)器人宇 航員在空間站微重力環(huán)境下穩(wěn)定攀爬。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了降低航天員在空間站維護(hù)與操作中的工作強(qiáng)度與安全風(fēng)險，節(jié)約時間與經(jīng)濟(jì) 成本，機(jī)器人宇航員成為空間站輔助或代替航天員的必然選擇。由于空間站處于微重力環(huán) 境中且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這要求機(jī)器人宇航員具有與地面機(jī)器人宇航員系統(tǒng)顯著不同的控制 方法。
[0003] 在機(jī)器人宇航員空間站攀爬運(yùn)動過程中，機(jī)器人宇航員兩條臂的末端執(zhí)行器同時 抓握運(yùn)動扶手，形成閉合鏈。一方面，由于機(jī)器人宇航員運(yùn)動存在誤差(包括機(jī)構(gòu)變形和控 制誤差等），該誤差會在閉鏈空間內(nèi)產(chǎn)生無法預(yù)期的內(nèi)力；另一方面，雙臂與扶手間的接觸 力和期望力的不同，會對機(jī)器人宇航員攀爬產(chǎn)生沖擊力。在微重力環(huán)境下，這兩種力在閉合 鏈內(nèi)形成的紛爭力會對機(jī)器人宇航員運(yùn)動產(chǎn)生復(fù)雜的擾動，并且還會對關(guān)節(jié)產(chǎn)生很大的沖 擊。機(jī)器人宇航員雙臂協(xié)作運(yùn)動控制，一般有力/位混合控制（Uchiyama M，Dauchez P.A symmetric hybrid position/force control scheme for the coordination of two robots[C]//Robotics and Automation,1988.Proceedings.,1988IEEE International Conference on. IEEE, 1988:350-356.)和阻抗柔順控制（Abdallah M E，Wampler C W, Platt Jr R.Object impedance control using a closed-chain task definition[C]// Humanoid Robots(Humanoids),2010 10th IEEE-RAS International Conference on ? IEEE，2010:269-274 ?)兩種方法。
[0004] 然而，以上基于阻抗控制的雙臂協(xié)調(diào)方法多用于針對于銷孔對接、搬運(yùn)物體等。在 這些任務(wù)中，阻抗控制器用于糾正操作物運(yùn)動中的微小偏差或避障，控制器中虛擬彈簧形 變量較小，所產(chǎn)生的阻抗力有限，因此不會嚴(yán)重影響機(jī)器人宇航員控制的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其 具有雙臂、軀干、機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng);所述雙臂又包括肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、驅(qū) 動機(jī)構(gòu)、六維力/力矩傳感器，并通過所述腕關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)分別與所述機(jī)器人宇航員末端執(zhí) 行器、軀干連接;所述控制系統(tǒng)將由雙臂、軀干、被抓握物組成的剛性閉鏈系統(tǒng)解耦為兩個 開鏈的機(jī)械臂，并對所述開鏈的機(jī)械臂分別采取位置控制、阻抗柔順控制。所述機(jī)器人宇航 員末端執(zhí)行器為機(jī)械手;所述被抓握物為扶手。
[0006] 上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員中，所述六維力/力矩傳感器用于 檢測機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器與被抓握物間相互作用力/力矩;機(jī)器人宇航員手臂的所述 六維力/力矩傳感器的測量值用于推導(dǎo)到肩部受力值。
[0007] 上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員中，所述控制系統(tǒng)中建立有多點沖 擊動力學(xué)模型，并具有主從動臂識別模塊、基于阻抗控制的雙臂協(xié)調(diào)模塊。
[0008] 上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員中，所述主從動臂識別模塊又包括 運(yùn)動學(xué)分析模塊、多點沖擊的動力學(xué)分析模塊，其用于在機(jī)器人宇航員雙臂攀爬過程中，通 過對所述機(jī)器人宇航員與扶手間作用力的分析，將所述雙臂分為主動臂與從動臂，從而得 到兩個開鏈的機(jī)械臂。
[0009] 上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員中，所述運(yùn)動學(xué)分析模塊進(jìn)行運(yùn)動 學(xué)分析并獲得雙臂的運(yùn)動狀態(tài);所述多點沖擊的動力學(xué)分析模塊進(jìn)行多點沖擊的動力學(xué)分 析，通過靜力學(xué)分析得到接觸力/力矩施加到機(jī)器人宇航員肩部的作用力。
[0010] 上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員中，所述多點沖擊的動力學(xué)分析模 塊將所述作用力向沿機(jī)器人宇航員驟停方向與垂直于機(jī)器人宇航員驟停方向分解;其中沿 垂直于驟停方向的分力為閉環(huán)的內(nèi)力，將內(nèi)力較大的所述機(jī)械臂作為從動臂，另一條機(jī)械 臂則作為主動臂。
[0011] 上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員中，所述基于阻抗控制的雙臂協(xié)調(diào) 模塊又包括位置控制路徑規(guī)劃模塊、阻抗柔順控制模塊;所述位置控制路徑規(guī)劃模塊用于 對主動臂進(jìn)行位置控制;所述阻抗柔順控制模塊用于對從動臂采用基于遺忘因子函數(shù)的阻 抗柔順控制。
[0012] 上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員中，所述阻抗柔順控制模塊采用基 于遺忘因子的自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，通過擴(kuò)展經(jīng)典阻抗控制方法中的虛擬彈簧項，對平衡 位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將從動臂阻抗控制中的平衡原點由預(yù)期的平衡位置不斷向相對于主 動臂對稱的平衡位置而改變;所述遺忘因子函數(shù)為： 0 Cf\
[0013] Mn+1(〇 = (l-r(?))?(ji(〇 + r(H)w0(〇 + [ri T2] ^^
[0014] 其中r(n)G[0，l)為自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，n為迭代次數(shù)，en(t)為控制量誤差；
[0015] 其中，r(n)設(shè)為：
[0016] 利用遺忘因子函數(shù)，將經(jīng)典阻抗控制改為：
[0017] MA+BA+Kses=Q,e5-Q"f
[0018] 其中Ms、Bs與Ks分別為目標(biāo)慣量、阻尼和剛度矩陣，Qdes為從動臂肩部期望受力，Qext 為由機(jī)器人宇航員手臂六維力/力矩傳感器測量值推導(dǎo)得到的肩部受力值為從動臂 的實際位置與其相對于主動臂的期望位置之差：
[0019] 色-xP0)
[0020] 其中xp(n)為從動臂實際位置，為基于遺忘因子函數(shù)的期望位置；因此，利 用遺忘因子函數(shù)有以下推導(dǎo)：
[0021] Z"-〇(/? + !) = (!-r(/?))x "(?) + (/?)
[0022] 其中x#des(n)為從動臂規(guī)劃位姿，x#a(n)為從動臂相對于主動臂的期望位姿;通過 推導(dǎo)x #a(n)為：
[0023] x#a(n) =T#a(n) ? xa(n)
[0024] 其中xa(n)為主動臂實際位姿;令由主動臂到從動臂的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為T#a(n)，則
[0025] ejn) = fl -r(n))T n(n) x" (/;) + r{n)i (4" in)- yjn)
[0026]其中，r(n)G[0，l)，并在攀爬周期內(nèi)單調(diào)遞減。
[0027] 上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員中，在攀爬周期的初始階段，r(n) 接近于1，從動臂阻抗控制中虛擬彈簧的平衡位置偏向于從動臂的期望位置;隨著攀爬的進(jìn) 行，為減小所述內(nèi)力，平衡位置逐漸向與主動臂相對應(yīng)的從動臂位置靠攏;經(jīng)過所述機(jī)器人 宇航員的一次攀爬后，r(n)逐漸向0遞減，從動臂虛擬彈簧平衡位置絕大部分由主動臂實際 位置決定；從而減小由機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器同時抓握扶手所形成的閉合鏈內(nèi)的紛爭 力。
[0028] 本發(fā)明還提供了一種機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法，其中，所述機(jī)器人宇航員 具有雙臂、軀干、機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng);所述控制方法包括如下步驟：
[0029] (1)所述控制系統(tǒng)將由雙臂、軀干、扶手組成的剛性閉鏈系統(tǒng)解耦為兩個開鏈的機(jī) 械臂。
[0030] (2)所述控制系統(tǒng)對所述開鏈的機(jī)械臂分別采取位置控制、阻抗柔順控制。
[0031 ]對于上述機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法，在所述步驟（1)中，所述控制系統(tǒng)中的 主從動臂識別模塊通過對在所述機(jī)器人宇航員雙臂攀爬過程中的所述機(jī)器人宇航員與扶 手間作用力的分析，將所述雙臂分為主動臂與從動臂，從而得到兩個開鏈的機(jī)械臂。
[0032] 對于上述機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法，所述控制系統(tǒng)中建立有多點沖擊動力 學(xué)模型，所述步驟(1)又包括：
[0033] (1.1)所述主從動臂識別模塊中的運(yùn)動學(xué)分析模塊通過運(yùn)動學(xué)分析獲得雙臂的運(yùn) 動狀態(tài)。
[0034] (1.2)所述主從動臂識別模塊中的多點沖擊的動力學(xué)分析模塊進(jìn)行多點沖擊的動 力學(xué)分析，通過靜力學(xué)分析得到接觸力/力矩施加到所述機(jī)器人宇航員的肩部的作用力。
[0035] 對于上述機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法，在所述步驟(1.2)中，所述多點沖擊的 動力學(xué)分析模塊將所述作用力向沿機(jī)器人宇航員驟停方向與垂直于機(jī)器人宇航員驟停方 向分解;其中沿垂直于驟停方向的分力為閉環(huán)的內(nèi)力，將內(nèi)力較大的所述機(jī)械臂作為從動 臂，另一條機(jī)械臂則作為主動臂，從而完成主動臂與從動臂的區(qū)分。
[0036] 對于上述機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法，所述步驟(2)又包括：
[0037] (2.1)所述控制系統(tǒng)中的基于阻抗控制的雙臂協(xié)調(diào)模塊對主動臂進(jìn)行位置控制。
[0038] (2.2)所述雙臂協(xié)調(diào)模塊對從動臂進(jìn)行基于遺忘因子函數(shù)的阻抗柔順控制。
[0039] 對于上述機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法，在所述步驟(2.2)中，所述雙臂協(xié)調(diào)模 塊采用基于遺忘因子的自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，通過擴(kuò)展經(jīng)典阻抗控制方法中的虛擬彈簧 項，對平衡位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將從動臂阻抗控制中的平衡原點由預(yù)期的平衡位置不斷 向相對于主動臂對稱的平衡位置而改變;所述遺忘因子函數(shù)為： (?)
[0040] ul,+}(t) = (l-r(n))uiI(t) + r(n)ii0{t) + [Y] T,]" ⑴」
[0041] 其中r(n)G[0，l)為自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，n為迭代次數(shù)，en(t)為控制量誤差；
[0042] 其中，r(n)設(shè)為：
[0043] 利用遺忘因子函數(shù)，將經(jīng)典阻抗控制改為：
[0044] M^+Bs|s+Ksgs=Q rfw_Q如
[0045] 其中Ms、Bs與Ks分別為目標(biāo)慣量、阻尼和剛度矩陣，Qdes為從動臂肩部期望受力，Qext 為由機(jī)器人宇航員手臂六維力/力矩傳感器測量值推導(dǎo)得到的肩部受力值;? s(?)為從動臂 的實際位置與其相對于主動臂的期望位置之差：
[0046] ^ (/〇=itfes(?)-Xp〇0
[0047] 其中xp(n)為從動臂實際位置，瓦A、,(/_?)為基于遺忘因子函數(shù)的期望位置；因此，利 用遺忘因子函數(shù)有以下推導(dǎo)：
[0048] (? + 1) - {I - r(n))x "(n) + r(n)x iles(n)
[0049] 其中x#de5S(n)為從動臂規(guī)劃位姿，x#a(n)為從動臂相對于主動臂的期望位姿;通過 推導(dǎo)x #a(n)為：
[0050] x#a(n) =T#a(n) ? xa(n)
[0051] 其中xa(n)為主動臂實際位姿;令由主動臂到從動臂的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為T#a(n)，則
[0052] es{n) = (\- r{n))Tga (h) ? ia (/?) + r{n)i\h,F (n) - ip(n)
[0053] 其中，r(n)G[0，l)，并在攀爬周期內(nèi)單調(diào)遞減。
[0054]對于上述機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法，在所述步驟(2.2)中，在攀爬周期的初 始階段，r(n)接近于1，從動臂阻抗控制中虛擬彈簧的平衡位置偏向于從動臂的期望位置； 隨著攀爬的進(jìn)行，為減小所述內(nèi)力，平衡位置逐漸向與主動臂相對應(yīng)的從動臂位置靠攏;經(jīng) 過所述機(jī)器人宇航員的一次攀爬后，r(n)逐漸向0遞減，從動臂虛擬彈簧平衡位置絕大部分 由主動臂實際位置決定;從而減小由機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器同時抓握扶手所形成的閉合 鏈內(nèi)的紛爭力。
【附圖說明】
[0055] 圖1是本發(fā)明實施例的所述機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法的圖示。
【具體實施方式】
[0056] 參照圖1，一種可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員及機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀 爬控制方法，所述機(jī)器人宇航員具有雙臂、軀干、機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng);所述 雙臂又包括肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、六維力/力矩傳感器，并通過所述腕關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)分 別與所述機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器、軀干連接;所述控制系統(tǒng)將由雙臂、軀干、被抓握物組 成的剛性閉鏈系統(tǒng)解耦為兩個開鏈的機(jī)械臂，并對所述開鏈的機(jī)械臂分別采取位置控制、 阻抗柔順控制。
[0057]所述機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器為機(jī)械手;所述被抓握物為扶手。所述六維力/力矩 傳感器用于檢測機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器與被抓握物間相互作用力/力矩;機(jī)器人宇航員 手臂的所述六維力/力矩傳感器的測量值用于推導(dǎo)到肩部受力值。
[0058] 所述控制系統(tǒng)中建立有多點沖擊動力學(xué)模型，并具有主從動臂識別模塊、基于阻 抗控制的雙臂協(xié)調(diào)模塊。
[0059] 所述多點沖擊動力學(xué)模型為:假設(shè)機(jī)器人宇航員運(yùn)動時有n個接觸點，通過對接觸 點施加運(yùn)動學(xué)約束：
[0061] 得到機(jī)器人宇航員微/弱重力下的動力學(xué)方程：
[0062] + C{q, q) = ^ /[/： b」w ，
[0063] 其中，q為機(jī)器人宇航員的關(guān)節(jié)角度，M(q)為關(guān)節(jié)空間的慣性矩陣，為科氏 力與離心力的合力矢量，t為關(guān)節(jié)力矩，h為第i個接觸點作用力，心為第i個接觸點的雅克比 矩陣。
[0064]令為合外力，是所有接觸力的矢量和：
[0065] ^
[0066] 對于圖1所示的所述機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法，其中，q為機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度， 々為關(guān)節(jié)角速度，f為關(guān)節(jié)角加速度，f為機(jī)器人宇航員受力，t為機(jī)器人宇航員所受力矩。
[0067] 所述主從動臂識別模塊又包括運(yùn)動學(xué)分析模塊、多點沖擊的動力學(xué)分析模塊，其 用于在機(jī)器人宇航員雙臂攀爬過程中，通過對所述機(jī)器人宇航員與扶手間作用力的分析， 將所述雙臂分為主動臂與從動臂，從而得到兩個開鏈的機(jī)械臂。所述運(yùn)動學(xué)分析模塊進(jìn)行 運(yùn)動學(xué)分析并獲得機(jī)器人宇航員的雙臂的位姿狀態(tài);所述多點沖擊的動力學(xué)分析模塊進(jìn)行 多點沖擊的動力學(xué)分析，通過靜力學(xué)分析得到接觸力/力矩施加到機(jī)器人宇航員肩部的作 用力。所述多點沖擊的動力學(xué)分析模塊將所述作用力向沿機(jī)器人宇航員驟停方向與垂直于 機(jī)器人宇航員驟停方向分解;其中沿驟停方向的分力為有效作用力，沿垂直于驟停方向的 分力為閉環(huán)的內(nèi)力，由于閉環(huán)的內(nèi)力是機(jī)器人宇航員雙臂之間紛爭力的根源，產(chǎn)生更大閉 環(huán)內(nèi)力的臂需要進(jìn)行調(diào)整，將內(nèi)力較大的所述機(jī)械臂作為從動臂，另一條機(jī)械臂則作為主 動臂，從而完成主動臂與從動臂的區(qū)分。
[0068] 所述基于阻抗控制的雙臂協(xié)調(diào)模塊又包括位置控制路徑規(guī)劃模塊、阻抗柔順控制 模塊;所述位置控制路徑規(guī)劃模塊用于對主動臂進(jìn)行位置控制;所述阻抗柔順控制模塊用 于對從動臂采用基于遺忘因子函數(shù)的阻抗柔順控制。上述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器 人宇航員中，所述阻抗柔順控制模塊采用基于遺忘因子的自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，通過擴(kuò)展 經(jīng)典阻抗控制方法中的虛擬彈簧項，對平衡位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將從動臂阻抗控制中的 平衡原點由預(yù)期的平衡位置不斷向相對于主動臂對稱的平衡位置而改變;所述遺忘因子函 數(shù)為：
[0069] u)i+l(t) = (]-r(n))iiH(t) + r(n)u0(t) + [ri F2]"
[0070] 其中r(n)G[0，l)為自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，n為迭代次數(shù)，en(t)為控制量誤差；
[0071] 其中，r(n)設(shè)為：
[0072] 利用遺忘因子函數(shù)，將經(jīng)典阻抗控制改為：
[0073] MA+BA+Kses=Qrfc-Qeirt
[0074] 其中Ms、Bs與Ks分別為目標(biāo)慣量、阻尼和剛度矩陣，Qdes為從動臂肩部期望受力，Qext 為由機(jī)器人宇航員手臂六維力/力矩傳感器測量值推導(dǎo)得到的肩部受力值;色(《)為從動臂 的實際位置與其相對于主動臂的期望位置之差：
[0075] C(校) = ￡:-(?) -XP(?)
[0076] 其中xp(n)為從動臂實際位置，戈&(?〇為基于遺忘因子函數(shù)的期望位置；因此，利 用遺忘因子函數(shù)有以下推導(dǎo)：
[0077] X,/,, 0> + !)-(!-r(ji))x "(/?) + r(n)y；(//)
[0078] 其中x#des(n)為從動臂規(guī)劃位姿，x#a(n)為從動臂相對于主動臂的期望位姿;通過 推導(dǎo)x #a(n)為：
[0079] x#a(n) =T#a(n) ? xa(n)
[0080] 其中Xa(n)為主動臂實際位姿;令由主動臂到從動臂的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為T#a(n)，則
[0081 ] eM = (1 - ：(?) -lM + r{n)lda (?) - xp (?)
[0082]其中，41〇￡[0，1)，并在攀爬周期內(nèi)單調(diào)遞減。在攀爬周期的初始階段^(11)接近 于1，從動臂阻抗控制中虛擬彈簧的平衡位置偏向于從動臂的期望位置;隨著攀爬的進(jìn)行， 為減小內(nèi)力，平衡位置逐漸向與主動臂相對應(yīng)的從動臂位置靠攏;經(jīng)過機(jī)器人宇航員的一 次攀爬后，r(n)逐漸向0遞減，從動臂虛擬彈簧平衡位置絕大部分由主動臂實際位置決定； 從而減小由機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器同時抓握扶手所形成的閉合鏈內(nèi)的紛爭力。
[0083]機(jī)器人宇航員穩(wěn)定攀爬控制方法包括如下步驟：
[0084] (1)所述控制系統(tǒng)將由雙臂、軀干、扶手組成的剛性閉鏈系統(tǒng)解耦為兩個開鏈的機(jī) 械臂。
[0085] 其中，所述控制系統(tǒng)中的主從動臂識別模塊通過對在所述機(jī)器人宇航員雙臂攀爬 過程中的所述機(jī)器人宇航員與扶手間作用力的分析，將所述雙臂分為主動臂與從動臂，從 而得到兩個開鏈的機(jī)械臂。具體為：
[0086] (1.1)所述主從動臂識別模塊中的運(yùn)動學(xué)分析模塊通過運(yùn)動學(xué)分析獲得雙臂的運(yùn) 動狀態(tài)。
[0087] (1.2)所述主從動臂識別模塊中的多點沖擊的動力學(xué)分析模塊進(jìn)行多點沖擊的動 力學(xué)分析，通過靜力學(xué)分析得到接觸力/力矩施加到所述機(jī)器人宇航員的肩部的作用力。 [0088]其中，所述控制系統(tǒng)中建立有多點沖擊動力學(xué)模型，所述多點沖擊的動力學(xué)分析 模塊將所述作用力向沿機(jī)器人宇航員驟停方向與垂直于機(jī)器人宇航員驟停方向分解;其中 沿垂直于驟停方向的分力為閉環(huán)的內(nèi)力，將內(nèi)力較大的所述機(jī)械臂作為從動臂，另一條機(jī) 械臂則作為主動臂，從而完成主動臂與從動臂的區(qū)分。
[0089] (2)所述控制系統(tǒng)對所述開鏈的機(jī)械臂分別采取位置控制、阻抗柔順控制。具體 為：
[0090] (2.1)所述控制系統(tǒng)中的基于阻抗控制的雙臂協(xié)調(diào)模塊對主動臂進(jìn)行位置控制。
[0091] (2.2)所述雙臂協(xié)調(diào)模塊對從動臂進(jìn)行基于遺忘因子函數(shù)的阻抗柔順控制。其中， 所述雙臂協(xié)調(diào)模塊采用基于遺忘因子的自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，通過擴(kuò)展經(jīng)典阻抗控制方法 中的虛擬彈簧項，對平衡位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將從動臂阻抗控制中的平衡原點由預(yù)期的 平衡位置不斷向相對于主動臂對稱的平衡位置而改變;所述遺忘因子函數(shù)為：
[0092] w!tj(〇 = (l-r(;;))o,(〇 + 7*(H)i/0(?) + [r, r2]
[0093] 其中r(n)G[0，l)為自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，n為迭代次數(shù)，en(t)為控制量誤差；
[0094] 其中，r(n)設(shè)為：
[0095] 利用遺忘因子函數(shù)，將經(jīng)典阻抗控制改為：
[0096] Msgs+Bsgs+K ses, = Q&i-Qft[；
[0097] 其中Ms、Bs與Ks分別為目標(biāo)慣量、阻尼和剛度矩陣，Qdes為從動臂肩部期望受力，Qext 為由機(jī)器人宇航員手臂六維力/力矩傳感器測量值推導(dǎo)得到的肩部受力值4(0為從動臂 的實際位置與其相對于主動臂的期望位置之差：
[0098] =
[0099] 其中xp(n)為從動臂實際位置，為基于遺忘因子函數(shù)的期望位置；因此，利 用遺忘因子函數(shù)有以下推導(dǎo)：
[0100] + = + ,lesM
[0101] 其中x#de5S(n)為從動臂規(guī)劃位姿，x#a(n)為從動臂相對于主動臂的期望位姿;通過 推導(dǎo)x #a(n)為：
[0102] x#a(n) =T#a(n) ? xa(n)
[0103] 其中xa(n)為主動臂實際位姿;令由主動臂到從動臂的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為T#a(n)，則
[0104] es(n) = (l-r(n))T\(n)-xJn) + r(n)%\ks(n)-%p(n)
[0105] 其中，r(n) G [0, 1)，并在攀爬周期內(nèi)單調(diào)遞減。在攀爬周期的初始階段，r(n)接近 于1，從動臂阻抗控制中虛擬彈簧的平衡位置偏向于從動臂的期望位置;隨著攀爬的進(jìn)行， 為減小內(nèi)力，平衡位置逐漸向與主動臂相對應(yīng)的從動臂位置靠攏;經(jīng)過機(jī)器人宇航員的一 次攀爬后，r(n)逐漸向0遞減，從動臂虛擬彈簧平衡位置絕大部分由主動臂實際位置決定； 從而減小由機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器同時抓握扶手所形成的閉合鏈內(nèi)的紛爭力。
[0106] 當(dāng)然，本發(fā)明創(chuàng)造并不局限于上述實施方式，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本 發(fā)明精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利 要求所限定的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其具有雙臂、軀干、機(jī)器人宇航員末 端執(zhí)行器、控制系統(tǒng);所述雙臂又包括肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、六維力/力矩傳感器，并通 過所述腕關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)分別與所述機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器、軀干連接;其特征在于:所述 控制系統(tǒng)將由雙臂、軀干、被抓握物組成的剛性閉鏈系統(tǒng)解耦為兩個開鏈的機(jī)械臂，并對所 述開鏈的機(jī)械臂分別采取位置控制、阻抗柔順控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特征在于:所述 機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器為機(jī)械手;所述被抓握物為扶手。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特征在于： 所述六維力/力矩傳感器用于檢測機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器與被抓握物間相互作用力/力 矩;所述六維力/力矩傳感器的測量值用于推導(dǎo)到肩部受力值。4. 根據(jù)權(quán)利要求3的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特征在于:所述 控制系統(tǒng)中建立有多點沖擊動力學(xué)模型，并具有主從動臂識別模塊、基于阻抗控制的雙臂 協(xié)調(diào)t吳塊。5. 根據(jù)權(quán)利要求4的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特征在于:所述 主從動臂識別模塊又包括運(yùn)動學(xué)分析模塊、多點沖擊的動力學(xué)分析模塊，其用于在所述機(jī) 器人宇航員雙臂攀爬過程中，通過對所述機(jī)器人宇航員與扶手間作用力的分析，將所述雙 臂分為主動臂與從動臂，從而得到兩個開鏈的機(jī)械臂。6. 根據(jù)權(quán)利要求5的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特征在于:所述 運(yùn)動學(xué)分析模塊進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析并獲得雙臂的運(yùn)動狀態(tài);所述多點沖擊的動力學(xué)分析模塊 進(jìn)行多點沖擊的動力學(xué)分析，通過靜力學(xué)分析得到接觸力/力矩施加到所述機(jī)器人宇航員 的肩部的作用力。7. 根據(jù)權(quán)利要求6的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特征在于:所述 多點沖擊的動力學(xué)分析模塊將所述作用力向沿機(jī)器人宇航員驟停方向與垂直于機(jī)器人宇 航員驟停方向分解;其中沿垂直于驟停方向的分力為閉環(huán)的內(nèi)力，將內(nèi)力較大的所述機(jī)械 臂作為從動臂，另一條機(jī)械臂則作為主動臂。8. 根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特 征在于:所述基于阻抗控制的雙臂協(xié)調(diào)模塊又包括位置控制路徑規(guī)劃模塊、阻抗柔順控制 模塊;所述位置控制路徑規(guī)劃模塊用于對主動臂進(jìn)行位置控制;所述阻抗柔順控制模塊用 于對從動臂采用基于遺忘因子函數(shù)的阻抗柔順控制。9. 根據(jù)權(quán)利要求8的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特征在于:所述 阻抗柔順控制模塊采用基于遺忘因子的自適應(yīng)調(diào)整算法函數(shù)，通過擴(kuò)展經(jīng)典阻抗控制方法 中的虛擬彈簧項，對平衡位置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將從動臂阻抗控制中的平衡原點由預(yù)期的 平衡位置不斷向相對于主動臂對稱的平衡位置而改變;所述遺忘因子函數(shù)為：利用遺忘因子函數(shù)，將經(jīng)典阻抗控制改為：其中Ms、BgKs分別為目標(biāo)慣量、阻尼和剛度矩陣，Qde3s為從動臂肩部期望受力，Q e3xt為由 機(jī)器人宇航員手臂六維力/力矩傳感器測量值推導(dǎo)得到的肩部受力值;？,(")為從動臂的實 際位置與其相對于主動臂的期望位置之差：其中xP(n)為從動臂實際位置，為基于遺忘因子函數(shù)的期望位置；因此，利用遺 忘因子函數(shù)有以下推導(dǎo)：其中x#de3S(n)為從動臂規(guī)劃位姿，x#a(n)為從動臂相對于主動臂的期望位姿;通過推導(dǎo) x#a(n)為： x#a(n) = T#a(n) · xa(n) 其中xa(n)為主動臂實際位姿;令由主動臂到從動臂的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為T#a(n)，則 es(n) = (I -r{n))T\(η) χο(η) + τ{η)% des(η)-χρ(η) 其中，^1〇￡[〇，1)，并在攀爬周期內(nèi)單調(diào)遞減。10.根據(jù)權(quán)利要求9的所述可在空間站艙內(nèi)穩(wěn)定攀爬的機(jī)器人宇航員，其特征在于:在 攀爬周期的初始階段，r(n)接近于1，從動臂阻抗控制中虛擬彈簧的平衡位置偏向于從動臂 的期望位置;隨著攀爬的進(jìn)行，為減小所述內(nèi)力，平衡位置逐漸向與主動臂相對應(yīng)的從動臂 位置靠攏;經(jīng)過所述機(jī)器人宇航員的一次攀爬后，r(n)逐漸向0遞減，從動臂虛擬彈簧平衡 位置絕大部分由主動臂實際位置決定;從而減小由機(jī)器人宇航員末端執(zhí)行器同時抓握扶手 所形成的閉合鏈內(nèi)的紛爭力。
【文檔編號】B25J9/16GK106003032SQ201610421131
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】蔣志宏, 李輝, 倪文成, 魏博, 黃強(qiáng)
【申請人】北京理工大學(xué)