机器人目标捕获的轨迹规划与控制研究_易茗山.pdf

第 25 卷第 3 期2023 年 6 月辽宁科技学院学报JOUNAL OF LIAONING INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol 25No 3Jun2023文章编号:1008 3723(2023)03 027 04doi:10 3969/j issn 1008 3723 2023 03 007机器人目标捕获的轨迹规划与控制研究易茗山，郭海丰，李嘉楠(辽宁科技学院 电气与自动化工程学院，辽宁 本溪 117004)摘要:随着人类空间探索活动的不断深入，空间机器人服务技术在保证卫星和空间站可靠高效运行方面占有重要地位。目标捕获包括捕获前的轨迹规划、接近待捕获目标、捕获和控制目标四个过程。基于此，文章对空间机器人目标捕获的轨迹规划与控制进行了实验研究。首先，基于摩擦消除理论分析了空间机器人的抓取机理;其次，为更准确地规划目标捕获路径，文章提出了一种匀速模型状态下的目标运动预测算法来设计机器人手臂关节空间的阻抗控制;最后，通过实验研究验证了文章提出的轨迹规划方法的特点。实验结果表明，在整个目标捕获过程中，姿态控制系统的 X 轴、Y 轴和 Z 轴的最大跟踪误差分别为 0 003 m、0 002 m 和 0 004 m。另外，虽然目标处于高速运动，且运动方向变化频繁，但机器人手臂末端对目标的跟踪精度仍然很好，表明本研究方法实现机器人目标捕获的有效性。关键词:机械手捕获;轨迹规划;空间机器人;阻抗控制中图分类号:TP273文献标识码:A近年来，随着太空探索活动的研究逐渐深入，导致在外层空间执行任务变得更加困难和多样化1 2。空间机器人技术的应用也为物流服务、基础动作等任务提供了重要保障3 4。太空机器人可以完成设备对接、加油、维护、转移、救援、空间站建设等任务，能显著提高任务完成的效率、质量和安全性5 6。因此，在目标捕获过程中规划和实现更精确的空间机器人轨迹控制已经被学术界和工业界广泛研究。对于机器人轨迹规划的研究，许多学者对其进行了多角度的深入探讨。如文献 7 研究了加速机器人轨迹规划，文献 8对基于空间偏移曲线的机器人轨迹优化课题进行研究，文献 9通过改进布谷鸟搜索算法对机器人轨迹进行了最优规划和设计。由此可见，为了提高机器人目标捕捉的精度和速度，研究机器人的轨迹规划与控制问题具有重要的现实意义。文章首先对机器人目标捕获的轨迹规划与控制展开深入研究，提出了一种捕获过程中目标运动参数的预测算法;然后为减小机械手的冲击力，分析了机械手关节空间的阻抗控制;再次对空间机器人的收稿日期:2022 02 23基金项目:辽宁省教育厅基本科研面上项目“基于深度学习的高安全装备健康评估关键技术研究”(LJKZ1061);辽宁科技学院大学生创新创业训练计划资助项目作者简介:易茗山(2001 )，男，广西梧州人，辽宁科技学院电气与自动化工程学院学生 研究方向:测控技术与仪器通讯作者:郭海丰(1979 )，男，辽宁阜新人，高级实验师，博士 研究方向:故障预测与健康管理、智能运维、机器学习目标捕获轨迹进行了优化;最后设计了空间机器人机械手目标捕获与控制实验，并分析了文章提出的轨迹规划方法的特点。1空间机器人目标捕获的轨迹规划与控制1 1目标捕获原理与分析基于摩擦去旋的概念，失控目标的旋转轴和机器人手臂去旋机构的旋转轴必须是线性的。考虑到目标不同、位置和形状不明、微重力环境等众多因素，机械臂在接近捕获目标过程中，抓握的手不能与捕获目标发生碰撞，否则会导致目标飞离捕获位置10 11。捕获范围的大小由空间机器人的捕获机构的包络范围和缓冲导向机构的位置决定，捕获的精度也由包络范围决定。因此，用于空间机器人目标捕获的捕获机构的设计需要满足以下 3 点:(1)抓取机构抓取范围大，灵活性强。虽然捕获机构的轴与被捕获目标的轴有一定的角度和位移偏差，仍然可以保证捕获机构捕获目标并完成对接。(2)应确保捕获机构能够捕获不同和多种类型的目标。(3)在捕获过程中，机械臂关节缓冲机构应具有较强的缓冲冲击载荷，并应具有尽可能自主调整与被捕获目标偏差的性能，使空间机器人喷嘴的径向与机械臂前部的轴线一致，使目标捕获过程控制的稳定性高，并且目标捕获可以可靠地完成，防止对两者的损害。1 2空间机器人目标捕获的轨迹规划与控制(1)目标运动参数预测。当机器人手臂在计划的轨迹上运动时，被捕获目标的姿态和速度仍然会发生变化，这降低了被捕获目标的跟踪精度。如果辽宁科技学院学报第 25 卷能够准确预测目标的运动状态，并选择机械臂端点与目标的交点，就可以更好更准确地规划空间机器人目标捕捉的轨迹，提高捕捉的跟踪精度。因此，通过测量系统获取的待捕获目标的运动信息，采用Kalman 滤波方法预测机械手每个轨迹规划周期结束时目标的运动状态，并将预测值应用到机械手轨迹规划中，减少目标运动导致的目标跟踪下降问题的发生12。假设目标的运动是均匀运动，同时将目标在运动前时刻的位置和速度分别设置为 x(k 1，k 1)和 v(k 1，k 1)，并且目标的速度状态噪声为 w，则目标的运动模型如式(1)所示:x(k，k)v(k k)=1，tf0，1x(k 1，k 1)v(k 1，k 1)+01 W(1)可以看出，匀速模型的状态转移方程如(2)所示:A=1，tf0，1(2)在公式(2)中，tf表示计划周期。(2)机械臂关节间隙的阻抗控制。在空间机器人目标捕获过程中，机器人手臂关节空间的阻抗控制通常用于机器人手臂避开障碍物。例如，在人机交互过程中，机器人手臂会受到外部碰撞，如果它不躲闪，机器人手臂的关节将受到影响。因此，有必要对机械手各关节的控制策略采取合理的措施，使机械手与被捕获目标接触时，底座的运动不会受到较大的冲击。对于空间机械手，不仅机械手末端可以等效为质量 弹簧 阻尼系统，关节层也可等效为质量 弹簧 阻尼系统，关节阻抗控制如公式(3)所示:Mjd+Djd+Kjd+*=e=JTFe+ni=1JTfifi(3)在公式(3)中，*=Djd+Kjd，Mjd、Djd、Kjd表示 n n 维关节阻抗的预期惯性、阻尼和刚度;e表示连接层的等效外部力矩;Jfi表示与关节处外力相关的雅可比矩阵;fi表示在机械臂的每个关节处接收的外力。(3)目标捕获的弹道规划。机器人手臂捕捉运动目标的轨迹规划需要注意控制机器人手臂的末端捕捉机构以期望的速度跟踪运动目标，到达运动目标的较小范围被认为是成功的捕捉。捕获过程满足角度、关节角速度在给定范围内等约束条件。假设移动目标的位置为 pm(t)，抓取机构在机械臂末端的位置为 pe，速度为 ve，则机械臂捕获的移动目标的轨迹规划描述如下:已知当前时间抓取机构在 t 末端的位置速度为 pe(t)，当前时间移动目标的位置为?pe(t)，速度为 pm(t)。捕获成功的条件是捕获机构?pm(t)与目标之间的距离小于，则联合路径计算方法如式(4)所示:(t)=f(pe，?pe，pm，?pm)(4)由上述分析可知，可使 tg在某一时刻符合pe(tg)pm(tg)。假设最小关节角度限制为 min，最大值限制为max。同理，角速度限制在?min和?max之间，角加速度限制在min和max之间。轨迹规划过程需要满足如公式(5)所示的机械臂的要求。minmax?min?maxminmax(5)从公式(5)可以看出，衡量轨迹规划算法性能的主要指标 tg是机械手末端捕获机构跟踪运动目标以及机械手末端运动轨迹的平滑度所用的时间量。2空间机器人目标捕获的轨迹规划与控制实验设计2 1空间机器人运动模拟器本实验采用了机械臂硬件模拟空间机械臂地面验证系统。通过对目标在 X 轴、Y 轴、Z 轴上的绝对姿态进行连续动态模拟来捕获目标的姿态模拟器，目标模拟器的姿态控制精度在 0 002以内，三轴姿态角精度保持在 0 001以内。该跟踪器由三轴机械转盘、垂直位置运动模拟机构、气浮底座和摆臂机构四部分组成。在实验中，它可以连续动态地模拟跟踪器在 X 轴、Y 轴和 Z 轴的绝对姿态以及 X 轴、Y 轴和 Z 轴在跟踪器和目标模拟器之间的相对位置下的物理运动。跟踪器的X、Y、Z 轴姿态角控制精度在 0 001以内，垂直位置控制精度为 0 1 mm，侧向旋转角控制精度为0 01。2 2实验方案本实验采用的实验方案是:被捕获的目标漂浮在气浮台上，水平方向几乎不受外力，处于自由状态，运动方向和速度不受控制，随机，模拟空间，机器人目标捕获实验的环境。将待捕获目标放置在机械臂末端，系统通过三目摄像机测量自由浮动目标的姿态信息，规划机械臂的运动，实现目标跟踪。通过关节传感器返回的关节角度信息，借助正交解得到机器人手臂的终点姿态和目标姿态曲线。在其他条件相同的情况下，通过比较目标姿态与终点姿态的跟踪误差，分析了该轨迹规划方法的特点。2 3实验过程82第 25 卷第 3 期2023 年 6 月辽宁科技学院学报JOUNAL OF LIAONING INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol 25No 3Jun2023本实验过程如下:首先，三目摄像机获取待捕捉目标图像信息;其次，利用计算机进行视觉处理获取待捕捉目标相对于机械臂端部坐标系的姿态;最后，将捕获目标姿态传输到控制计算机，控制计算机将视觉数据等控制信息发送到 PCI 卡，实现对机械臂的控制。PCI 卡可以实现本实验算法的复杂计算，有助于规划轨迹计算。控制卡上的 FPGA 作为总线通信芯片，通过PPSeCo 串行总线从底层电机驱动层的 FPGA 获取反馈环路信号，并传输相应的指令。PCI 卡可以编程实现空间机器人的轨迹规划，捕捉目标，并通过关节控制器生成机械手关节的控制信息，控制机械手关节运动。3空间机器人目标捕获轨迹规划与控制的实验分析3 1目标捕获轨迹规划控制试验在实验中，机器首先预测目标运动状态，在 PCI卡中进行可编程轨迹规划，并根据规划的路径控制机械手运动。机械手末端和目标运动姿态的实验结果如表 1 所示:表 1轨迹规划实验结果(单位:m)时间Y 方向终点Y 方向目标位置X 方向端点X 方向目标位置20 470 390 660 4840 400 400 650 6560 370 370 730 7480 380 390 650 67100 360 360 680 68120 400 400 690 70140 340 340 710 71160 350 350 800 81180 360 370 770 77图 1轨迹规划实验结果(单位:m)从图 1 可以看出，在机器人手臂跟踪目标的过程中，虽然目标移动速度高，移动方向变化频繁，但机器人手臂末端对目标的跟踪精度还是很好的。同时，采用关节阻抗控制，有效地缓冲了关节的力冲击，进一步降低机械臂与底座之间的扰动力冲击。3 2目标跟踪误差在整个目标捕获过程中，姿态控制系统的三轴跟踪误差结果如表 2 所示(负数表示相反方向)。X轴最大误差为 0 003 m，Y 轴最大误差为 0 002 m，Z轴最大误差为 0 004 m。表 2三轴跟踪误差结果(单位:度)时间X 轴Y 轴Z 轴00 0010 0010 000100 0000 0000 002200 0020 0010 004300 0030 0020 001400 0000 0010 001500 0010 0010 000600 0020 0020 002从图 2 中可以发现，三轴跟踪的误差在相对较小的范围内，这表明在这个过程中，底座的位置和姿态得到控制，使空间机器人的姿态与目标姿态一致。由此可知，文章提出的目标捕获控制中的目标轨迹规划方法可以保证空间机器人在降低基地扰动力矩的同时能够跟踪目标轨迹，从而降低基地机动模式下基地姿态控制系统的负荷。图 2三轴跟踪误差结果(单位:度)4结语目前世界各国都在不同程度上开展不同用途的空间机器人研究，我国也在空间机器人等重要空间技术上投入了大量精力。随着智能机器人学科和先进制造设备能力的提高，空间机器人目标捕获的轨迹规划与控制研究也取得了长足的进展。文章主要研究了空间机器人目标捕获的轨迹规划与控制，提出了一种目标捕获运动参数的预测算法，分析了机辽宁科技学院学报第 25 卷械手关节空间的阻抗控制方法，最后对空间机器人的目标捕获轨迹进行了优化，验证了轨迹规划方法的优越性。参考文献:1 Ishnan S，Garg A，Patil S，等 过渡状态聚类:用于机器人学习的无监督手术轨迹分割 J 国际机器人研究杂志，2017(36):13 14 2 Janutenaite Bogdaniene J，Macerauskas E，Drukteiniene A，等 圆柱压电机器人的轨迹规划与控制 J 振动工程学报，2017，19(4):2670 2679 3 Keyvan，Majd，Mohammad，等 仿车机器人轨迹跟踪与优化的稳定解析解方法 J 自动化学报(英文版)，2020，7(1):42 50 4Cariou C，Gobor Z，Seiferth B，等 部分和全场覆盖下运动学和动力学约束下的移动机器人轨迹规划 J 野外机器人学报，2017，34(7):1297 1312 5 胡宏，肖生，沈宏 不确定机器人轨迹跟踪的改进线性自抗扰控制 J 工程中的数学问题，2021(12):1 13 6 魏力，强志安 基于运动学的二自由度摆驱动球形移动机器人的四态轨迹跟踪控制J 中国航空学报，2019，32(6):1530 1540 7 Vidakovic J，Jerbic B，Sekoranja B，等 面向随机任务的机器人轨迹加速学习 J IEEE 访问，2020(99):1 8 刘军，胡生，沈军，等 基于空间偏移曲线的球管交叉焊缝焊接机器人轨迹优化 J 中国焊接学会会刊，2017，38(11):47 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target capture First，the capture mechanismof the space robot based on the friction elimination theory is analyzed In order to plan the path of target capture more accurately，a tar-get motion prediction algorithm under the state of a uniform velocity model is then proposed with the intent to design the impedance con-trol of the robot arm joint space Finally，an experimental study is carried out to verify the characteristics of the trajectory planningmethod proposed The experimental results show that during the entire target acquisition process，the maximum tracking errors of theattitude control systems X axis，Y axis，and Z axis are 0 003m，0 002m，and 0 004m In addition，although the target move-ment speed is high and the movement direction changes frequently，the tracking accuracy of the robot arm end to the target is still fairlywellKey words:Manipulator capture;Trajectory planning;Space robot;Impedance control03