COORDINATED PATH PLANNING BY INTEGRATING IMPROVED RRT$^{\small*}$ AND QUARTIC SPLINE$^{\bf 1)}$

针对空间机器人抓捕空间非合作目标的在轨服务任务,同时考虑机器人运动学约束和动力学约束,提出一种分层式的自由漂浮双臂空间机器人协调路径规划方法. 首先,在路径规划层面上基于 RRT* 算法分别规划双臂末端执行器在笛卡尔空间下的初始可行路径,为双臂设置独立的采样空间,保证路径规划过程中双臂系统不发生自身碰撞. 然后,在轨迹规划层面上利用四次样条曲线平滑 RRT* 算法生成的初始路径,设计满足样条曲线的一阶、二阶及三阶微分连续约束,同时考虑机械臂末端执行器的初末速度约束条件、初始加速度约束条件,得到适合于空间机器人执行的动力学可行的平滑 轨迹.最后,计算所规划路径的最大速度、最大加速度与机械臂末端执行器物理极限值的比值,取最小上限,即为最少路径规划时间. 所提路径规划方法能够设计出满足特定路径点约束的协调路径,且所设计的路径考虑了机械臂的物理限制条件,通过对自由漂浮双臂空间机器人进行仿真试验,验证了所提路径规划算法的有效性.     

自由漂浮空间机器人路径优化的Legendre伪谱法

基于Legendre 伪谱法研究自由漂浮空间机器人非完整路径规划的最优控制问题. 自由漂浮是空间机器人执行任务常用的工作模式,其路径优化是空间机器人完成复杂空间任务的基础. 由于空间机器人不具有固定基座,机械臂和载体之间存在非完整约束,使得自由漂浮空间机器人路径规划完全不同于地面机器人而变得具有挑战性. 本文提出自由漂浮空间机器人路径规划的最优控制伪谱方法. 首先,利用多体动力学理论建立自由漂浮空间机器人动力学模型,给定系统的初始和目标位形,选取机械臂关节耗散能最小为性能指标,并考虑实际控制输入受限,建立其路径规划的Bolza 问题. 然后,应用Legendre 伪谱法,将状态和控制变量在Legendre-Gauss-Lobatto (LGL) 点上离散,并构造Lagrange 插值多项式逼近系统状态和控制变量,将连续路径优化问题离散化为非线性规划问题求解. 最后通过数值仿真表明,应用Legendre 伪谱法求解自由漂浮空间机器人非完整路径规划问题,得到的机械臂和载体最优运动轨迹,较好地满足各种约束条件,且计算精度高、速度快,并具有良好的实时性.      

基于能力评估的空间翻滚目标抓捕策略优化

由于目标的翻滚运动, 空间双臂机器人对动态目标的抓捕相比于静态目标更具有挑战性. 对抓捕策略进行优化可以提高空间双臂机器人对翻滚目标的操作能力以保证任务的成功. 本文提出了一种基于能力评估的抓捕策略优选方法. 空间双臂机器人捕获目标时, 双臂末端执行器与目标同时接触形成闭链系统, 闭链约束的引入使操作能力的评估更加复杂. 在对双臂空间机器人协调操作翻滚目标的运动学与动力学分析基础上, 建立了考虑闭链约束的协调工作空间, 并分析了基于任务兼容度的消旋能力评估指标. 建立的协调工作空间同时包含位置和姿态信息, 可以用于灵巧度的计算. 接着, 基于协调工作空间的全局灵巧度指标确定机械臂末端执行器对目标的最优抓捕点, 以及考虑相机视角约束和末端执行器对目标速度跟踪约束下的力任务兼容度指标确定空间双臂机器人捕获翻滚目标时的最优抓捕构型. 利用能力评估确定抓捕策略可以充分利用双臂的协调性以增加对动态目标的操作能力, 通过仿真验证了所提抓捕策略的可行性和有效性.      

空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制

针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题, 由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压, 已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩, 无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全. 为此, 本文考虑被抓捕目标惯性参数不确定性与双臂内力挤压对抓捕后阶段组合体稳定控制的影响, 提出了一种保证接触安全的鲁棒稳定控制方法. 首先, 根据目标的有界不确定性构造鲁棒正不变集, 同时考虑双臂与目标接触内力的影响, 利用预测控制方法在该不变集内规划控制目标运动的虚拟接触力与力矩. 然后, 根据目标动力学模型以及空间双臂机器人的运动约束, 规划空间双臂机器人的鲁棒安全期望运动轨迹. 最后, 利用障碍李雅普诺夫函数构造跟踪控制器, 使空间双臂机器人有效地跟踪期望轨迹, 从而使得翻滚目标运动受到等效于虚拟控制律的作用, 在保证接触安全的同时实现鲁棒的稳定控制. 通过空间双臂机器人稳定翻滚目标的仿真算例验证了所提方法的有效性.      

双臂空间机器人相对载体运动的增广自适应控制方法

本文讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人末端爪手基联坐标系内轨迹跟踪的自适应控制问题.系统运动学、动力学分析结果表明,结合系统动量守恒关系得到的双臂空间机器人系统动力学方程,可以表示为一组新的适当选择的系统组合惯性参数的线性函数;从而克服了惯常的空间机器入系统动力学方程,关于系统惯性参数呈非线性函数关系的难点.以此为基础,并借助于增广变量法,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数未知的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人末端爪手基联坐标系内轨迹跟踪的增广自适应控制方案.提出的控制方案具有不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点.系统数值仿真,证实了方法的有效性.     

闭环双臂空间机器人系统运动规划的双向逼近方法

讨论了载体位置、姿态均不受控制的闭环双臂空间机器人系统的非完整运动规划问题. 以系统动量、动量矩守恒关系及几何约束条件为基础，建立了控制设计所需的系统状态方程； 并通过对状态方程应用双向Lyapunov方法，获得了机械臂关节角的控制输入方程，从而达到 对载体姿态及机械臂关节角的双重控制效果. 该方法的优点是减少了载体姿态控制燃料的消 耗，有效地延长了空间机器人系统的使用寿命. 通过一个平面自由漂浮闭环双臂空间机器人系统 的数值仿真，证明了方法的有效性.     

双臂空间机器人系统末端惯性空间轨迹的反馈跟踪控制

本文讨论了载体位置不受控制的双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的控制问题.结合系统的动量守恒关系对双臂空间机器人系统的运动学、动力学作了分析,推导出了系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的增广广义Jacobi关系.并以此为基础,给出在载体位置不受控制的情况下,惯性坐标系内双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的反馈跟踪控制规律.研究结果表明,在系统动力学模型及参数较精确确定的情况下,本文提出的控制方案能够有效地控制双臂空间机器人机械臂的末端抓手与载体姿态准确地完成指定的运动,而不需对其载体的位置进行主动控制.仿真计算结果证实了方法的有效性.     

基于骨架提取和启发式算法的路径规划方法

针对农业机器人在大棚中执行搬运任务时的高效率且尽可能沿地图中心行驶的需求,提出一种基于骨架提取和启发式算法的路径规划方法。首先设计了自适应阈值的地图骨架路径关键点提取步骤,用关键点指导启发式搜索树的构建。然后采用膨胀RS曲线代替直线进行树的生长,保证机器人的运动学约束和防碰撞,同时提出一种混合碰撞检测方法,进一步提高算法效率。最后设计关键点扩展步骤,提高算法的鲁棒性。仿真结果表明,简单地图下,本算法效率约是RRT*-Connect算法的5倍、Hybrid A*算法的7倍,复杂地图下约是RRT*-Connect算法的300倍、Hybrid A*算法的9倍,能够满足机器人的运动学约束。     

基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略研

空间机械臂技术是未来实施在轨服务与维护任务的关键技术之一. 利用机械臂对空间非合作目标, 特别是翻滚目标的抓捕仍然存在巨大的挑战. 本文提出一种基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略方案. 在对非合作目标与空间机械臂运动学与动力学分析的基础上, 结合非合作目标被空间机械臂抓捕后的动静态对偶性分析, 构建抓捕后的力可操作度椭球作为抓捕策略设计的优化指标. 其次, 考虑目标的运动预测和空间机械臂的抓捕能力图谱构建, 确定空间机械臂应对目标的最优抓捕时机与抓捕终端状态. 基于Clamped B样条对空间机械臂各关节轨迹进行时间归一化参数描述, 并对抓捕过程中的机械臂关节角、速度、避撞、抓捕走廊等约束进行数学变换, 最终将抓捕策略转换为多约束、多目标的非线性优化问题, 利用自适应惯性权重的粒子群优化算法进行求解. 将所设计的抓捕策略应用于空间七自由度运动学冗余机械臂, 实现了对空间中翻滚目标的成功捕获, 验证了所提抓捕策略的可行性与有效性.      

基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略研究

空间机械臂技术是未来实施在轨服务与维护任务的关键技术之一.利用机械臂对空间非合作目标,特别是翻滚目标的抓捕仍然存在巨大的挑战.本文提出一种基于Clamped B样条的空间非合作目标抓捕策略方案.在对非合作目标与空间机械臂运动学与动力学分析的基础上,结合非合作目标被空间机械臂抓捕后的动静态对偶性分析,构建抓捕后的力可操作度椭球作为抓捕策略设计的优化指标.其次,考虑目标的运动预测和空间机械臂的抓捕能力图谱构建,确定空间机械臂应对目标的最优抓捕时机与抓捕终端状态.基于Clamped B样条对空间机械臂各关节轨迹进行时间归一化参数描述,并对抓捕过程中的机械臂关节角、速度、避撞、抓捕走廊等约束进行数学变换,最终将抓捕策略转换为多约束、多目标的非线性优化问题,利用自适应惯性权重的粒子群优化算法进行求解.将所设计的抓捕策略应用于空间七自由度运动学冗余机械臂,实现了对空间中翻滚目标的成功捕获,验证了所提抓捕策略的可行性与有效性.     

Adaptive neural network control for coordinated motion of a dual-arm space robot system with uncertain parameters

Control of coordinated motion between the base attitude and the arm joints of a free-floating dual-arm space robot with uncertain parameters is discussed. By combining the relation of system linear momentum conversation with the Lagrangian approach, the dynamic equation of a robot is established. Based on the above results, the free-floating dual-arm space robot system is modeled with RBF neural networks, the GL matrix and its product operator. With all uncertain inertial system parameters, an adaptive RBF neural network control scheme is developed for coordinated motion between the base attitude and the arm joints. The proposed scheme does not need linear parameterization of the dynamic equation of the system and any accurate prior-knowledge of the actual inertial parameters. Also it does not need to train the neural network offline so that it would present real-time and online applications. A planar free-floating dual-arm space robot is simulated to show feasibility of the proposed scheme.     

Detumbling strategy and coordination control of kinematically redundant space robot after capturing a tumbling target

This paper focuses on the motion planning to detumble and control of a space robot to capture a non-cooperative target satellite. The objective is to construct a detumbling strategy for the target and a coordination control scheme for the space robotic system in post-capture phase. First, the dynamics of the kinematically redundant space robot after grasping the target is presented, which lays the foundation for the coordination controller design. Subsequently, optimal detumbling strategy for the post-capture phase is proposed based on the quartic B\(\acute{\text{ e }}\)zier curves and adaptive particle swarm optimization algorithm subject to the specific constraints. Both detumbling time and control torques were taken into account for the generation of the optimal detumbling strategy. Furthermore, a coordination control scheme is designed to track the designed reference path while regulating the attitude of the chaser to a desired value. The space robot successfully dumps the initial velocity of the tumbling satellite and controls the base attitude synchronously. Simulation results are presented for detumbling a target with rotational motion using a seven degree-of-freedom redundant space manipulator, which demonstrates the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

Motion planning for redundant prismatic-jointed manipulators in the free-floating mode

This paper investigates the motion planning of redundant free-floating manipulators with seven prismatic joints. On the earth, prismatic-jointed manipulators could only position their end-effectors in a desired way. However, in space, the end-effectors of free-floating manipulators can achieve both the desired orientation and desired position due to the dynamical coupling between manipulator and satellite movement, which is formally expressed by linear and angular momentum conservation laws. In this study, a tractable algorithm particle swarm optimization combined with differential evolution (PSODE) is provided to deal with the motion planning of redundant free-floating prismatic-jointed manipulators, which could avoid the pseudo inverse of the Jacobian matrix. The polynomial functions, as argument in sine functions are used to specify the joint paths. The coefficients of the polynomials are optimized to achieve the desired end-effector orientation and position, and simultaneously minimize the unit-mass-kinetic energy using the redundancy. Relevant simulations prove that this method provides satisfactory smooth paths for redundant free-floating prismatic-jointed manipulators. This study could help to recognize the advantages of redundant prismatic-jointed space manipulators.     

漂浮基双臂空间机器人姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的模糊滑模控制

本文讨论了载体姿态受控、位置不受控制的双臂空间机器人系统的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性系统动力学模型.以此为基础,考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论,设计了双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的滑模变结构控制方案.为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振.系统数值仿真,证明了上述控制方案良好的控制效果.     

配置柔顺机构空间机器人双臂捕获卫星操作力学模拟及基于神经网络的全阶滑模避撞柔顺控制

讨论了空间机器人双臂捕获卫星操作过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题. 为此在关节电机与机械臂之间设计了一种旋转 型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)--柔顺机构,其作用在于:(1) 通过其内置弹簧的拉伸或压缩变形来吸收捕获操作过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;(2) 可以利用合理设计的与之配合的避撞柔顺控制策略来保证关节冲击力矩受限在安全范围. 首先,利用第二类Lagrange方程分别建 立了捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人的开环分系统动力学模型与目标卫星的分系统动力学模型;之后,基于系统动量 守恒关系、闭链系统位置与速度几何约束关系,获得了捕获操作后空间机器人与被捕获卫星闭链混合体系统综合动力学方程; 最后,基于RBF神经网络提出了一种捕获操作后两者混合体系统镇定运动的全阶终端滑模避撞柔顺控制方案. 所提方案结合柔 顺机构在有效吸收、缓冲被捕获卫星冲击能量的同时,还在冲击能量过大时适时开、关空间机器人关节驱动器,以避免关节驱 动器过载、破坏;此外,还通过最小权值范数法分配了机械臂各关节力矩,以保证双臂协调操作. Lyapunov稳定性理论证明了 系统的全局稳定性,系统计算机数值仿真也验证了上述避撞柔顺控制策略的有效性.      

空间机器人双臂捕获卫星力学分析及镇定控制

随着航天技术的发展,空间机器人要求具有对非合作卫星的在轨捕获能力. 双臂空间机器人与单臂空间机器人相比在这方面显然更具有优势. 然而由于太空环境的复杂性,使得空间机器人双臂捕获非合作卫星操作过程的动力学与控制问题表现出下述特点:非完整动力学约束,动量、动量矩与能量传递变化,捕获前后结构开、闭环变拓扑,与闭环接触几何、运动学约束多者共存. 因此空间机器人双臂捕获卫星技术相关动力学与控制问题变得极其复杂. 为此,讨论了双臂空间机器人捕获自旋卫星过程的动力学演化模拟,以及捕获操作后其不稳定闭链混合体系统的镇定控制问题. 首先,利用拉格朗日第二类方程建立了捕获操作前双臂空间机器人的开环系统动力学模型,利用牛顿-欧拉法建立了目标卫星的系统动力学模型;在此基础上基于动量守恒定律、力的传递规律,经过积分与简化处理分析、求解了双臂空间机器人捕获目标卫星后受到的碰撞冲击效应,给出了合适的捕获操作策略. 根据闭链系统的闭环约束几何及运动学关系获得了闭合链约束方程,推导了捕获操作后闭链混合体系统的动力学方程. 最后基于该动力学方程针对捕获操作结束后失稳的闭链混合体系统,设计了镇定运动模糊H_∞ 控制方案. 提出的方案利用模糊逻辑环节克服参数不确定影响,由H_∞ 鲁棒控制项消除逼近误差来保证系统控制精度;通过最小权值范数法分配各臂关节力矩,以保证两臂协同操作. 李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的全局稳定性. 最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性.      

动态规划求解空间双臂机器人非完整运动最优控制问题

通过自适应动态规划研究自由漂浮空间双臂机器人运动的最优控制问题．针对空间双臂机器人的非完整性运动,采用自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming, ADP)方法求解其最优控制问题．根据多体动力学理论,推导了载体位置、姿态均无控制条件下,双臂空间机器人满足的系统动量守恒关系的非完整约束方程,并将其转化为控制系统的状态方程,从而将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为对非线性系统的控制问题．文中根据自适应动态规划网络结构,利用神经网络来近似性能指标函数,进而用龙格库塔法求解状态变量．并给出了适合该类问题的一种效用函数具体表达式,保证了空间双臂机器人到达期望位置后不再继续运动．实现了对空间双臂机器人非完整运动规划的最优控制．数值仿真实验验证了ADP对求解空间双臂机器人非完整运动规划最优控制问题的有效性．