空间机器人的抓取动作与卫星接触控制竟能相联系!

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研究了空间机器人抓取非合作卫星的接触控制问题,提出了一种新的抓取控制策略。首先,基于多体动力学理论推导了机器人系统的动力学方程,并用修正的赫兹模型描述了机器人末端执行器与目标卫星之间的接触力。在此基础上,提出了一种基于位置的目标卫星捕获阻抗控制策略。


该控制策略是通过实现末端执行器与目标卫星的软接触来捕获目标卫星,使目标卫星在接触后不会离开末端执行器。与现有的其他捕获控制策略不同,该策略只需要空间机器人的运动学信息,控制性能要求较低,在实际应用中更容易实现。本文以“Contact control for grasping a non-cooperative satellite by a space robot”为题发布于《Multibody System Dynamics》杂志上。


研究背景


随着在轨航天器数量的增加,使用太空机器人系统进行在轨服务的需求也越来越大,其中包括维修、更换部件、加油和其他任务。捕获作业是在轨维修的关键环节,是后续维修作业的前提。尽管基于轨道服务技术的太空机器人技术在过去20年里已经有了显著的进步,捕获非合作的物体,如失控的滚落卫星,仍然是一个非常具有挑战性和风险的任务。


可以说,任何不正确的控制,特别是在抓取阶段,不仅会导致抓取任务的失败,而且还会威胁到维修空间机器人和目标对象的安全。因此,抓取控制问题值得进一步研究。到目前为止,文献中针对抓取非合作对象的控制问题提出了许多方法和策略。


当已知目标物体的惯性参数并得到接触力时,该方法可以使目标物体在与空间机器人系统进行第一次接触后停止运动。虽然实验证明了该方法的有效性,但目标是固定的壁,而不是自由漂浮的物体。


在这种情况下,通过柔性腕关节可以获得目标和末端执行器的相对运动信息。在末端执行器中也加入了柔性腕关节,并采用阻抗控制方法进行接触控制。柔性手腕的使用只是为了延长接触时间。为了获得更好的控制性能,设计了一种比例导数(PD)控制器用于追逐器基座的位置和姿态控制。


虽然仿真结果证明了所提控制方法对停止滚转卫星的有效性,但空间机器人与目标卫星的相对速度必须非常小。


实际上,由于接触时间很短,很难获得准确的接触力信息。这些缺点使得上述方法在工程应用中不易取得较好的控制效果。因此,要成功地完成空间机器人抓取非合作对象的任务,需要一种不需要先验信息和接触力反馈的合适的控制方法。


提出了一种基于位置的非协同卫星抓取阻抗控制策略,实现了空间机械臂与目标卫星的软接触和保持接触。该策略采用等效质量阻尼动态系统生成空间机器人的期望运动,并采用运动控制器使机器人手臂尖端跟踪期望运动。


因此,在抓取操作过程中,机械手将被像质量阻尼一样控制。与现有的其他捕获控制策略相比,该研究提出的捕获控制策略有两个不同之处。首先,只使用机器人的运动学信息进行控制反馈,即所提出的方法是基于位置的控制,而不是混合的力和位置控制,因此控制性能要求较低。第二个不同之处在于,所提方法只考虑阻尼项。研究者发现阻尼项在实现机器人与捕获目标的软接触中起着重要作用。


图为将捕获的空间机器人和非合作卫星:(a)系统的总体图,(b)放大的末端效应器和捕获的卫星


一般来说,有两种主要的方法来分析接触对象之间的碰撞。一种是动量法。该方法以冲击冲量代替接触力,将接触过程视为不连续过程,分为前接触和后接触两个阶段。在另一种方法中,接触过程被认为是一个连续的过程,接触力作用于接触对象,直到它们分离。与第一种方法相比,第二种方法可以得到真实接触行为的描述。该研究采用Hertz模型和非线性阻尼项相结合的非线性接触模型来描述接触力。


传统阻抗控制是建立在质量弹簧阻尼系统上的一种经典控制方法.该方法最初是为了实现机器人手臂与静态目标接触时的混合力/位置控制,而忽略了接触面法线方向上的相对速度。


图为双目标接触示意图


图为两个接触对象的动态响应


图为控制系统框图


首先通过仿真验证了所提出的控制方法。然后分析了其鲁棒性和阻抗参数对抓取操作的影响。在所有的仿真研究中,空间机器人和非合作卫星如图所示。


图为末端执行器的大小:(a)正面视野,(b)垂直视图


为了验证该控制器的有效性,该研究进行了四次仿真。在前两次仿真中,空间机器人的底座不受控制,机器人臂分别处于自由状态和锁定状态。第三,通过该研究提出的带有刚度项的控制方法,对空间机器人的基座和机器人臂进行控制。最后,采用所提出的控制方法对空间机器人的底座和机器人臂进行了控制。在所有的模拟中,末端执行器被锁定。因此,机器人手臂的末端执行器和最后一个环节可以看作是一个刚体。


图为空间机器人与非合作卫星的初始配置


图为末端执行器和捕获卫星的动态响应


在一个简单的场景中演示了所提出的实现软接触和保持接触的控制方法的效率。与此不同的是,在抓取PAF时,接触力不仅改变了卫星平移运动,而且改变了卫星的旋转运动。因此,掌握PAF更具有挑战性。


仿真结果表明,该控制方法对于实现非合作滚转卫星的软接触和保持接触是有效的。另外,通过对这两种模拟结果的比较,可以看出,第一次模拟的结果曲线比较平滑。这表明,抓取一个物体只相对于一个轴旋转要比抓取一个相对于三个轴旋转的物体更容易。为了确保成功的抓取操作,需要在抓取之前附加一次主动翻滚操作。它可以加速旋转从小到长轴的自旋演化。


图为空间机器人与非合作卫星的初始配置


图为卫星速度时空间机器人基地位置的变化


研究结论


该研究详细研究了空间机器人抓取非合作卫星时的接触控制问题,提出了一种基于位置的抓取阻抗控制策略。与以往的阻抗控制方法相比,只采用空间机器人的运动信息作为控制反馈,因此对控制系统的要求较低,易于工程实现。

    

此外,所提出的控制策略可以实现机器人末端执行器与目标卫星的软接触,从而更容易捕获目标卫星。仿真结果表明,所提出的控制策略不仅适用于平移卫星的捕获,也适用于翻转卫星的捕获。


参考文献:Xiao-Feng Liu, Guo-Ping Cai, Ming-Ming Wang & Wu-Jun Chen Contact control for grasping a non-cooperative satellite by a space robot Multibody System Dynamics119–141(2020)



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