空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制1)

2021-05-30夏鹏程罗建军王明明

力学学报 2021年4期

夏鹏程罗建军王明明

(西北工业大学深圳研究院,广东深圳 518057)

(西北工业大学航天学院,西安 710072)

引言

在轨维修失效卫星是当前空间机器人在轨服务的重要应用场景[1].空间机器人抓捕翻滚目标技术是在轨服务所需的关键技术之一[2-3].一般将空间机器人抓捕目标的过程分为抓捕前,抓捕中和抓捕后3个阶段.在抓捕后阶段,如何保证机械臂末端与目标接触力/力矩在安全范围内稳定和操控目标是空间机器人在轨服务的难点之一.

考虑到抓捕后阶段任务的安全性和复杂度,空间机器人的抓捕控制通常分为期望运动轨迹规划和轨迹跟踪控制两个过程.对于惯性参数已知的目标,抓捕后的轨迹规划问题通常被转换为优化问题求解[4].Dimitrov 等[5-8]从能量守恒约束的角度规划了抓捕后阶段的期望运动轨迹.王明明等[9-11]则利用样条曲线对机器人关节运动进行参数化处理,规划了时间最优的空间机器人运动轨迹.余敏等[12-14]针对空间双臂机器人提出了一种协调基座与机械臂运动的轨迹规划方法.在实际应用中,因为无法提前准确地获得翻滚目标的惯性参数,通常利用其估值实现轨迹规划与跟踪控制.由于被抓捕目标的惯性参数存在不确定性,抓捕了翻滚目标的空间机器人并不能有效地跟踪规划的期望运动轨迹.为了解决这一问题,研究者们针对目标与空间机器人构成的组合体提出了自适应控制策略[15-17].然而上述针对组合体提出的控制方法并未考虑控制过程中因目标与机械臂末端交互而产生的接触安全问题.

当空间多臂机器人跟踪期望运动轨迹时,由于目标惯性参数具有不确定性以及抓捕矩阵零空间内多臂之间拉扯与挤压内力的影响,空间机器人末端的接触力/力矩可能无法满足规划的安全接触约束[18-19].为了保证机械臂末端的接触安全,减小交互过程中的接触力/力矩,空间机器人的研究学者引入了地面机器人的阻抗控制方法[20-22].Abiko 等[23-27]基于阻抗控制方法设计了跟踪控制器,通过设计关节的控制力矩,将机械臂末端运动与接触力之间的关系等效于一个质量−弹簧−阻尼系统,有效地调整了目标与机械臂末端的接触情况.为了提高阻抗控制效率,Stolfi 等[28-29]提出了仅对产生接触的运动方向采用阻抗控制的混合控制策略.Xia 等[30]提出了一种根据末端接触情况调整期望运动的方法,通过调整期望运动轨迹的方式保证末端接触的安全.上述研究仅利用机器人力控制方法被动地调整了交互过程中的接触力与力矩,而并未在最初设计期望运动轨迹的过程中预先考虑目标惯性参数不确定性的影响,从而无法有效地约束接触力与力矩,进而保证接触安全.在近年的研究中,为了主动地处理因模型不确定性而产生的接触安全问题,Gangapersaud 等[31-32]针对模型不确定性有界的情况,设计了考虑模型不确定性的期望运动轨迹以及跟踪控制器.

为了有效地约束空间双臂机器人稳定和操控翻滚目标运动过程中的接触力与力矩,保证抓捕点处的接触安全,本文提出了一种考虑目标惯性不确定性与抓捕点处内力的接触安全鲁棒控制方法.首先,利用目标惯性参数的估值,设计稳定控制的标称运动.在此基础上,考虑目标不确定性以及内力的影响,构造目标运动包络的鲁棒不变集.在不变集内设计控制目标运动稳定的虚拟鲁棒控制律.随后,根据该控制律与运动约束生成组合体的期望运动.最后,基于障碍李雅普诺夫函数设计了跟踪控制器,使得空间机器人能够在设计的控制性能约束范围内有效地跟踪期望运动轨迹、翻滚目标的运动受到等效于虚拟控制律的接触力/力矩,从而保证控制过程中的接触安全.

1 抓捕翻滚目标后的组合体建模

鉴于七自由度机械臂具有冗余度、方便完成多目标的空间操控任务,本文中空间机器人由两个对称安装的七自由度刚性机械臂与一个六自由度运动的可控基座组成.翻滚目标与空间双臂机器人在抓捕点处连接形成组合体,如图1 所示.

图1 空间机器人抓捕后示意图Fig.1 Snapshot of space robot after capturing target

式中,Jte目标质心到抓捕点的雅可比矩阵.为了方便描述,对于向量x∈R3,x×表示为与其对应的反对称矩阵.根据向量x1,x2∈R3,定义如下运算

目标的六自由度运动规律可以表述为如下的形式

式中,It为翻滚目标的惯性矩阵.由于目标与空间机器人固连,目标的运动受到接触力/力矩的影响.将式(1)和式(4)联立,可以得到组合体的闭链动力学方程

2 接触安全因素分析与处理

为了有效地约束空间双臂机器人抓捕和稳定翻滚目标运动过程中的接触力/力矩,保证抓捕点处的接触安全,需要对影响接触安全的因素进行相应的分析.

2.1 目标惯性参数不确定性影响分析

由于翻滚目标的惯性参数无法提前准确地测量,因此存在不确定性.一般利用其惯性参数的估值设计期望的运动轨迹.首先,利用多项式将目标的运动空间进行参数化处理.随后,根据式(4)中的目标动力学方程,将标称运动的规划问题转化为如下优化问题,可得

式中,ε为目标运动状态与最终期望之间的误差,T0为运动时间,λ1和λ2为权重因子,fmax为接触力/力矩的安全约束,xtmin和xtmax为运动状态的上下界.通过求解上述优化问题,可以得到目标运动的期望轨迹.最终,利用目标与机械臂的运动学约束,求解得到组合体中机械臂关节与基座的期望运动轨迹.由目标的动力学方程可知,对于惯性参数已知的目标,当跟踪控制器有效地跟踪上规划的期望轨迹时,目标将受到规划的接触力/力矩作用.

对于惯性参数无法准确获知的目标,由于不确定性的影响,动力学模型中与目标惯性参数相关的项存在如下的关系

因此,在抓捕后阶段,根据双臂机器人末端的速度无法准确地估计目标质心的运动速度.此外,由于雅可比矩阵Jte的真值无法获得,接触力/力矩对目标运动的实际作用效果存在偏差.

综上分析,当空间机器人有效地跟踪上利用目标估计参数规划参考的期望轨迹时,根据目标的动力学方程式(4),有以下的关系

式中,wt为目标惯性参数不确定对估计动力学模型产生的影响.∆fe为接触力/力矩的实际值fe和规划值fep之间的误差.当空间机器人有效地跟踪利用估计参数规划的期望运动时,由于不确定的目标惯性参数影响,空间机器人末端与目标交互的过程无法满足规划的接触力/力矩约束,控制过程存在接触安全问题.因此,有必要在规划的过程中考虑目标不确定性的影响,使得空间机器人在跟踪期望轨迹时能够保证接触的安全.

2.2 机械臂末端内力影响分析

当空间机器人的双臂同时作用于非合作目标时,描述末端接触力/力矩的fe和作用于目标质心运动的向量FE满足如下的关系

式中,FE为控制目标运动的有效力与力矩.与空间单臂机器人不同,当两个机械臂同时作用于目标时,在雅可比矩阵Jte的零空间内会产生不影响目标运动的无效力与力矩FI即内力,其表达式如下

式中,†表示矩阵的广义逆,I为单位矩阵.内力FI反应了多个机械臂与目标之间的拉扯与挤压.FI仅对机械臂末端的接触力/力矩产生影响.因此,为了抓捕点处机械臂末端与目标接触的安全,还需要在规划期望轨迹的过程中考虑内力的影响.

3 鲁棒运动轨迹规划

经上分析可知,为了保证稳定过程中抓捕点处的接触安全,需要在规划期望运动的过程中考虑目标不确定性以及内力的影响,以便空间机器人能在约束的接触力/力矩内安全有效地跟踪期望运动,保证控制过程中抓捕点处的接触安全.为此,本文提出了一种考虑目标有界不确定性以及内力影响的鲁棒轨迹规划方法.

根据动力学方程(4)可知,目标的期望运动可以通过规划期望的接触力与力矩得到.因此可以将接触力/力矩视为虚拟的控制量,针对目标运动设计虚拟的鲁棒控制律,即可根据式(4)得到考虑目标不确定性的目标期望运动轨迹.在此基础上,根据式(2)中的运动约束,可求解得到组合体中空间双臂机器人关节与基座的期望运动轨迹.

本文采用鲁棒预测控制方法设计虚拟控制律.如图2 所示,首先,利用目标惯性参数的估值,根据

图2 基于虚拟控制律的控制过程示意图Fig.2 Schematic diagram of the virtual control law

为了描述控制受到有界不确定性影响的系统逼近标称运动轨迹的过程,首先对目标的动力学进行离散化处理

3.1 目标惯性不确定性与机械臂末端内力处理

为了考虑目标与双臂之间的拉扯、挤压对于末端接触力/力矩的影响,利用雅可比矩阵Jte以及其零空间可以构造如下的正定矩阵

为了使得目标的运动状态在受到其惯性参数有界不确定性影响时仍能够处于状态约束范围内,本文构造了目标运动包络的鲁棒正不变集.当目标的运动状态处于该鲁棒正不变集内时,即便受到惯性参数不确定性影响仍能处于该集合内.因此在满足状态约束的不变集内控制翻滚目标运动,目标的运动状态够满足规划的状态约束.为了方便构造不变集,根据标称轨迹定义如下集合的序列,即

根据目标状态以及接触力/力矩的约束,考虑目标不确定性的有界性,可以构造不变集序列构造过程详见附录与参考文献[33].

3.2 鲁棒轨迹生成

为了在求解式(19)中优化问题的过程中考虑目标不确定性以及机械臂末端内力影响,快速地生成鲁棒的期望运动轨迹,本文采用将此N步预测控制问题拆分为N次的单步预测控制问题求解.进行单步预测控制时,根据当前的状态设计如下的反馈控制律

通过对式(26) 中的控制问题迭代求解,即可得到鲁棒的虚拟控制律.根据目标的标称模型式(4)和虚拟控制律,得到考虑目标惯性不确定性与机械臂末端内力影响的鲁棒目标期望运动轨迹.鉴于空间机器人与目标满足式(2)中的运动学约束.通过求解满足约束的逆运动学,即可得到与鲁棒的目标期望运动轨迹对应的空间机器人关节与基座期望运动轨迹.由于目标的运动受到机械臂末端接触力与力矩的影响,当空间机器人有效地跟踪上期望运动轨迹时,目标运动受到等效于鲁棒控制律的接触力与力矩作用,从而约束了抓捕点处产生的接触力与力矩,保证了接触安全.

4 基于障碍李雅普诺夫函数的跟踪控制器设计

为了约束控制过程中抓捕点处的接触力/力矩,空间双臂机器人需要有效地跟踪期望运动轨迹.本文基于障碍李雅普诺夫函数[34]设计了跟踪期望运动轨迹的控制器.

利用退步法构造控制空间双臂机器人跟踪期望运动轨迹的李雅普诺夫函数如下

利用此跟踪控制器,可以在设定的约束性能范围内有效地跟踪期望运动轨迹.

综上,本文通过设计虚拟鲁棒控制律规划鲁棒的期望运动轨迹,随后,在约束性能范围内有效地跟踪期望轨迹,使得目标运动能够受到等效于虚拟鲁棒控制律的接触力/力矩控制,从而约束抓捕点处的接触力/力矩,保证接触安全的同时实现抓捕后阶段的鲁棒稳定控制,该鲁棒控制方法的结构如图3所示.

图3 鲁棒稳定控制方法结构图Fig.3 Schematic diagram of the proposed control scheme

5 仿真验证

为了验证所提鲁棒稳定控制方法的有效性,本节利用该方法设计了稳定翻滚目标的仿真算例和两组对照组.抓捕后阶段组合体的动力学与运动学参数如表1 所示.估计的惯性参数为真实值的85%.双臂末端的接触力/力矩安全约束分别为[−20,20] N 与[−20,20] N·m.翻滚目标的运动速度为[0.05,0.18,−0.22] m/s,角速度为[0.05,−0.28,−0.18]rad/s,两个抓捕点在目标本体坐标系上的位置分别为[0,0.5,0]Tm 和[0,−0.5,0]Tm.为了规划目标的期望稳定运动,首先利用n阶多项式对目标运动的速度以及角速度进行参数化处理.根据目标惯性参数的估计值建立式(6)和式(7)中的优化问题,通过求解优化问题得到参考的期望运动轨迹.

在两组对照组中,空间双臂机器人跟踪利用估计参数设计参考的期望轨迹.在对照组1 中,利用如下的PD 控制器跟踪参考期望运动轨迹,可得

在对照组2 中,利用该控制器跟踪参考期望运动轨迹.约束跟踪控制器的控制参数选择如下

本文所提约束跟踪控制器的控制性能以及有效性,可以通过对比对照组1,2 的仿真结果予以验证.

所提鲁棒控制方法采用同样的约束跟踪控制器.选择目标速度为零的状态序列作为标称轨迹.同时令N=20,∆t=0.01 s,Qr为单位阵.由抓捕点的位置可知,Rr是正定的.本文所提鲁棒稳定控制方法的有效性,可以通过对比对照组1 与所提方法的仿真结果予以验证.

图4 ∼图6 分别展示了对照组1,2 以及所提方法翻滚目标的运动情况.仿真结果显示,对照组方法和本文所提的鲁棒控制方法均能够有效地控制空间双臂机器人稳定翻滚目标的运动.对照组中利用PD 控制器直接跟踪参考期望轨迹需要5.5 s 实现目标运动稳定,利用所提的鲁棒稳定控制方法可以在3.2 s 内实现翻滚目标的稳定.

表1 组合体运动学和动力学参数Table 1 Kinematica and dynamic parameters of combination

图4 利用PD 控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时目标的运动速度Fig.4 Velocities of the target when space robot tracks the estimated trajectory with PD controller

图5 利用约束跟踪控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时目标的运动速度Fig.5 Velocities of the target when space robot tracks the estimated trajectory with the constrained tracking controller

图6 利用所提鲁棒控制方法稳定目标运动时目标的运动速度Fig.6 Velocities of the target under the control of the proposed robust scheme

图7 ∼图9 展示了稳定翻滚目标运动过程中空间双臂机器人的关节速度跟踪误差.由仿真结果可知,PD 和所提约束跟踪控制器均有效地跟踪了期望运动.在稳定过程中,PD 和约束跟踪控制器分别用了6 s 和4 s 将关节角速度的跟踪误差收敛至10−3数量级以内.由图8 和图9 中的结果可知,约束跟踪控制器能在约束的性能范围内控制跟踪误差收敛,跟踪不同期望运动轨迹时能够保证误差收敛的速度.

图7 利用PD 控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时的关节角速度跟踪误差Fig.7 Tracking errors of the joint angular velocities tracking estimated trajectory with PD controller

图8 利用约束跟踪控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时的关节角速度跟踪误差Fig.8 Tracking errors of the joint angular velocities tracking estimated trajectory with the constrained tracking controller

图10 ∼图12 展示了对照组1,2 和所提控制方法稳定翻滚目标运动时末端的接触力/力矩.由于抓捕初始时刻抓捕点处与机械臂末端存在不可估计的加速度差,在抓捕后阶段的开始,目标与机械臂末端会因为连接后的稳定控制产生冲击.对比图10 和图11的仿真结果可知,采用不同的跟踪控制器,机械臂末端与目标交互过程中产生的接触力/力矩会因为控制效果而不同.结合图7 ∼图9 中的结果可知,与利用PD 控制器跟踪期望运动轨迹的情况相对比,利用约束跟踪控制器跟踪期望运动轨迹时的跟踪误差范围较小,约束控制器可以有效地处理初始冲击对目标运动加速度产生的影响,能有效地控制空间双臂机器人跟踪期望运动轨迹,在抓捕点处产生较小的接触力/力矩.此外,由图10 和图11 的仿真结果可知,由于对照组参考期望运动轨迹并未考虑目标不确定性与内力的影响,稳定过程中机械臂末端的接触力/力矩可能无法满足规划的约束.

图9 利用所提鲁棒控制方法稳定翻滚目标时机械臂的关节角速度跟踪误差Fig.9 Tracking errors of the joint angular velocities under the control of the proposed robust scheme

图9 利用所提鲁棒控制方法稳定翻滚目标时机械臂的关节角速度跟踪误差(续)Fig.9 Tracking errors of the joint angular velocities under the control of the proposed robust scheme(continued)

图10 利用PD 控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时机械臂末端的接触情况Fig.10 Contact wrenches of the manipulators tracking the estimated trajectory with PD controller

图11 利用约束跟踪控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时机械臂末端的接触情况Fig.11 Contact wrenches of the manipulators tracking the estimated trajectory with the constrained tracking controller

图12 利用所提鲁棒控制方法稳定翻滚目标时机械臂末端的接触情况Fig.12 Contact wrenches of the manipulators under the control of the proposed robust scheme

图12 利用所提鲁棒控制方法稳定翻滚目标时机械臂末端的接触情况(续)Fig.12 Contact wrenches of the manipulators under the control of the proposed robust scheme(continued)

图12 展示了利用所提鲁棒控制方法稳定目标运动时机械臂末端受到的接触力/力矩.由图中结果可知,所提控制方法在稳定翻滚目标的过程中,在0.6 s 后空间机器人双臂末端的接触力/力矩满足安全约束[−20,20] N 与[−20,20] N·m,保证了接触安全.对比对照组的结果可知,经过初始冲击后所提方法可以有效地约束末端的接触力/力矩在[−20,20]N 与[−20,20]N·m 的范围以内.当目标的不确定性在估计的边界以内时,所提方法可以有效地约束末端的接触力/力矩,保证抓捕后阶段翻滚目标稳定时的接触安全.

图13 ∼图15 展示了控制过程中的控制输入.由图13 的仿真结果可以看出,PD 控制器为了跟踪上期望运动轨迹,在初始的1 s 内,控制输入在输入饱和的约束范围[−300,300]N 与[−300,300]N·m 内振荡.由图14 和图15 的仿真结果可知,与利用PD 控制器跟踪期望运动相比,约束跟踪控制器控制输入收敛平缓.此外,跟踪鲁棒轨迹使得机械臂的控制力矩范围由[−160,150] N·m 下降至[−100,80] N·m.综上仿真结果,所提控制方法可以在输入饱和的约束范围内有效地稳定翻滚目标.

图13 利用PD 控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时的控制输入Fig.13 Control inputs of the manipulators tracking the estimated trajectory with PD controller

图13 利用PD 控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时的控制输入(续)Fig.13 Control inputs of the manipulators tracking the estimated trajectory with PD controller(continued)

图14 利用约束跟踪控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时的控制输入Fig.14 Control inputs of the manipulators tracking the estimated trajectory with the constrained tracking controller

图14 利用约束跟踪控制器直接跟踪参考期望轨迹稳定目标运动时的控制输入(续)Fig.14 Control inputs of the manipulators tracking the estimated trajectory with the constrained tracking controller(continued)