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空间站组合臂安装载荷的自主安全操控策略.pdf
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1、第 45 卷第 2 期 2024 年 2 月宇 航 学 报Journal of AstronauticsNo.22024FebruaryVol.45空间站组合臂安装载荷的自主安全操控策略刘冬雨1,刘宏2,刘业超2,谢宗武2,高升1(1.北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;2.哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室,哈尔滨 150001)摘要:针对空间站暴露载荷操作任务,提出一种组合臂安装载荷的自主安全操控策略。该策略由机械臂末端视觉伺服进行安装操作的精细初定位,克服天地差异、舱体充压变形、组合臂大范围开环运动等误差影响,为机械臂安装载荷提供准确的初始条件;由力控制和自主交互流程
2、进行载荷对接安装,适应载荷对接前残余位姿偏差,减少天地、机械臂与载荷交互时间、力控制持续时间,降低宏微机械臂间动力学耦合影响,自主柔顺和安全完成载荷插拔操作。该操控策略经过地面仿真和试验验证,并成功应用在组合臂操作舱外暴露载荷任务中,确保空间站载荷安装任务圆满成功。关键词:空间站;空间载荷安装;空间机械臂;精细操作;力控制中图分类号:V19;TP242 文献标识码:A 文章编号:1000-1328(2024)02-0303-11 DOI:10.3873/j.issn.1000-1328.2024.02.015Autonomous and Safe Operation Strategy of M
3、acro-micro Manipulator Assembling Payloads on Space StationLIU Dongyu1,LIU Hong2,LIU Yechao2,XIE Zongwu2,GAO Sheng1(1.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China;2.State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract:Aimi
4、ng at the exposed payloads operation task on the space station,an autonomous and safe operation strategy of macro-micro manipulator assembling payloads is proposed.In this strategy,fine initial positioning of the assembly operation is carried out by the visual servo control of the micro manipulator,
5、which overcomes the influence of errors such as the difference between on-orbit and ground,the deformation of the cabin,and the large-scale open-loop motion of the macro-micro manipulator,and provides accurate initial conditions for the subsequent inserting payloads.The inserting operation is carrie
6、d out by the force control of manipulator and autonomous interaction process between manipulator and payloads,which adapts to the residual position and attitude deviations from visual servo control,reduces the interaction time between on-orbit and ground,the interaction time between manipulator and
7、the payload,the duration of the force control,and reduces the dynamic coupling between the macro and micro manipulator,and completes the payload insertion and extraction operation autonomously and safely.The operating strategy has been verified by simulation and ground tests,and successfully applied
8、 to the on-orbit operation of macro-micro manipulator assembling exposed payloads.It ensures the success of the payload assembling task of China s Tiangong Space Station.Key words:Space station;Space payloads assembling;Space manipulator;Fine operation;Force control0引言中国空间站在轨建造完成后,将开展较大规模系统和连续的空间科学研
9、究与空间应用。绝大多数空间应用和技术试验载荷设备通过机械臂实现进出舱以及舱外位置转移、安装和拆卸1-2。机械臂收稿日期:2023-05-11;修回日期:2023-10-17基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(61803124)宇航学报第 45 卷安装和拆卸载荷设备是空间站载荷照料的关键操作,区别于机械臂转移航天员等常规操作,这是一类接触操作任务。如何有效控制插合力大小,既满足克服插接载荷的阻力、适应在轨位姿偏差,又能够有效保证机械臂受力时间短、不超过机械臂自身耐受载荷,是机械臂安装载荷任务的关键。国际空间站有效载荷操作主要通过加拿大2臂(Canadarm 2)或者日本臂(JEM-RMS)完
10、成。这两套机械臂系统实现载荷操作的主要工作模式为航天员人在回路的闭环操作,由航天员通过舱外视频信息、遥测驱动的三维模型重构信息,克服天地差异、舱体充压等带来的机械臂操作误差等影响,对载荷进行准确定位,最终完成载荷安装部署3-4。这种操作方式需要为航天员提供较为丰富的舱外视频和较为精细的三维位置信息,也需要航天员具备较高的机械臂操控水平和大量的地面训练。经过多年研究和工程实践,中国空间机械臂操控技术积累了一定的理论基础和工程经验,主要包括力位混合控制方法、阻抗控制方法、力控制方法5。空间机械臂采用力位混合控制在轨更换ORU(Orbital replaceable units)的方法较适用于能够对
11、接触操作环境准确建模的任务场景,且设置合理的加权选择矩阵才能保证操作性能,工程实践中鲜见应用6。阻抗控制用于调整机械臂末端位置和接触力的动态关系,实现了自由空间和接触空间的稳定过度,同时保证了接触操作的柔顺性能和自由空间运动位置精度,在对于力跟踪精度要求不高的任务场景(如月壤采样、卫星捕获)中得到了广泛应用7-8。力控制由于能够获得较好的力跟踪效果,其理论及试验研究在地面机器人精细操作领域较为广泛,但在目前成功在轨飞行的空间机械臂精细操作任务中未见应用和实施报道。中国空间站已进入应用与发展阶段,对于空间机械臂大规模安装和照料舱外暴露实验载荷也需要逐步积累技术基础和工程经验。为了减少航天员在轨操
12、作的人时需求,降低机械臂操控对空间站资源需求,提高自动化水平,本文针对空间站舱外暴露载荷安装任务,提出一种空间机械臂插拔载荷的自主安全操控策略。经过地面验证和在轨实施,该策略成功完成了空间站首次载荷出舱和组合臂安装操作任务,为后续在空间站大规模开展空间应用和技术试验奠定了基础。1任务方案中国空间站由天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱3个基本舱段组成,呈T字构型。天和核心舱居中,问天实验舱和梦天实验分别连接于两侧。天和核心舱配置了一台7自由度的大机械臂,作业半径为10 m,最大负载25 t,主要负责大负载大范围转移;在问天实验舱配置了一台7自由度的小机械臂,作业半径为5 m,最大负载3 t,主要
13、负责小负载精细操作9。大/小机械臂还可以串联形成组合臂,主要执行支持航天员出舱活动及舱外载荷的大范围操作任务。安装在空间站舱外的设备(含舱外载荷)主要通过梦天实验舱货物气闸舱实现自动进出舱10-11。空间站组合臂操作舱外暴露载荷任务主要包括任务准备段、载荷出舱段、机械臂操作段、载荷自检及状态恢复段4个阶段:任务准备段主要完成空间站各设备加电设置,组合臂运动至梦天实验舱货物气闸舱附近,航天员将出舱载荷安装在载荷转移机构上并关闭货物气闸舱舱门。载荷出舱段主要完成货物气闸舱泄压,开启梦天实验舱外舱门,载荷转移机构携带载荷伸出舱外。机械臂操作段主要完成小机械臂运动及捕获载荷组件(如图1(a)所示),载
14、荷与载荷转移机构分离,小臂携带载荷后退至安全位置,大机械臂携带小机械臂和载荷大范围转移载荷至问天实验舱上方。运动到位后,大机械臂作为小机械臂的基座锁定,小机械臂视觉伺服运动至插合载荷位置,小机械臂进入自主流程力控制插合载荷(如图1(b)所示),在小臂零力控制状态下载荷适配器锁紧载荷12。载荷自检及状态恢复段主要完成载荷在轨测试,载荷转移机构缩回至货物气闸舱,梦天实验舱外舱门关闭,货物气闸舱回温复压,完成系统状态恢复。组合臂以核心舱小柱段为基座,从梦天实验舱载荷转移机构上抓取出舱载荷,直接转移到问天实验舱上安装载荷,其跨距超过25 m,充分体现了空间站机械臂自主大范围转移安装载荷的优势,减小了航
15、天员出舱活动的代价,系统提升了空间站和航天员的安全性。2操控策略2.1任务分析2.1.1尺寸链分析首先分析组合臂负载载荷后开环操作任务尺304第 2 期刘冬雨等:空间站组合臂安装载荷的自主安全操控策略寸链13如图2和式(1),操作的误差环节包括:机械臂基座与舱体之间的连接误差;组合臂开环末端绝对误差;末端捕获载荷的连接误差;各传递环节由于上一环节姿态误差和本环节长度尺寸诱导出的牵连位置误差,这一因素往往成为空间宏-微机械臂开环操作存在的主要误差项。s=base+amacro+amicro+lplamicro+()lpl+lmicroamacro+()lpl+lmicro+lmacrobases
16、=base+amacro+amicro(1)式中:s R3为机械臂操作末端综合位置误差,base R3为机械臂基座/末端捕获连接位置误差,amacro R3为大机械臂末端绝对位置误差,amicro R3为小机械臂末端绝对位置精度;s R3为机械臂操作末端综合姿态误差,base R3为机械臂基座/末端捕获连接姿态误差,amacro R3为大机械臂末端绝对姿态误差,amicro R3为小机械臂末端绝对姿态误差;lpl R3为载荷尺寸,lmacro R3为大机械臂跨距,lmicro R3为小机械臂跨距。按照组合臂工况估算机械臂开环操作末端误差,考虑大臂完全伸直10 m、小臂完全伸直5 m构型、1 m
17、有效载荷,按照国际空间站机械臂假定大臂绝对位置误差50 mm、大臂绝对姿态误差1,小臂绝对位置误差10 mm、小臂绝对姿态误差1,忽略捕获连接误差环节。估算末端横向位置误差可达到142 mm,这将导致载荷与空间站舱体之间的连接机构的容差设计很难实现。因此,在机械臂末端或者连接环节设置视觉感知装置是非常必要的。在机械臂末端加装末端相机,组合臂抓取目标物体后,通过切换载荷相机镜头,利用相机测量相对位姿,机械臂控制器通过控制末端的位姿满足载荷适配器的捕获对接条件,将机械臂开环操作中传递环节的误差消除,整臂视觉闭环的误差尺寸链变为:s=rmicro+camera+lplrmicros=rmicro+c
18、amera(2)式中:rmicro R3为小机械臂末端重复位置误差,camera R3为相机测量位置误差;rmicro R3为小机械臂末端重复姿态误差,camera R3为相机测量姿态误差。若相机测量误差 2 mm/0.2,则载荷末端的位置误差可小于20 mm。这样在系统层面将极大地简化载荷与舱壁之间连接装置的设计要求,优化了空间站系统整体的资源配置。视觉伺服定到位的位姿误差对于载荷安装这种接触操作是不能忽视的,较大的视觉伺服误差以及载荷与安装位置之间较大的接触刚度会对机械臂产生较大的反作用约束。因此,在视觉伺服到位后,载荷对接捕获过程还需要设计合适的机械臂柔顺操控策略才能顺利安全地完成安装任
19、务。2.1.2宏-微机械臂动力学耦合分析空间站组合臂是一种典型的空间宏-微机械臂,其优势是有效操作空间半径大,能够覆盖货物出舱口、载荷安装位置,极大地提高空间站载荷操负载负载大臂大臂期望位置大臂实际位置小臂期望位置小臂实际位置大臂实际位置延长线小臂ABClmacrolmicroABClpl图2组合臂操作载荷末端精度简化分析Fig.2End accuracy simplified analysis of macro-micro manipulator operating payloads天和核心舱梦天实验舱问天实验舱货物气闸舱组合臂天和核心舱问天实验舱梦天实验舱组合臂载荷暴露平台(a)组合臂从梦
20、天实验舱取出暴露载荷(b)组合臂将载荷安装到问天实验舱暴露平台图1组合臂安装暴露载荷Fig.1Macro-micro manipulator assembling exposed payloads305宇航学报第 45 卷作的效率;同时,这种使用模式也带来了整臂刚度低的局限性。如果不加以控制和规避,安装载荷期间整臂末端的作用力可能导致整臂变形后退,甚至导致操作任务无法完成的风险。在操作任务确定后,大机械臂(7自由度)和微机械臂(7自由度)的初始操作构型能够明确,可通过1个冗余自由度的自运动特性,遍历全部可能操作构型,分析微机械臂插合载荷主动出力过程对宏机械臂作用及其变形影响。考虑到刚性机械臂末
21、端期望位姿x仅与关节刚性运动q有关,与机械臂系统柔性变形无关,即:x=(q)(3)式中:x R6为机械臂末端在惯性空间的位姿;q R7为关节的刚性角度向量。将上式对时间求导:x=J(q)q(4)式中:J=d()qdq为刚性机械臂雅可比矩阵。对于冗余度机械臂,将上式对时间t求导,可得q的通解为:q=J+x+(I-J+J)(5)式中:J+为J的广义逆矩阵,J+=JT(JJT)-1;R7为任意矢量矩阵;I R77为单位阵。式(5)等号右侧第二项中I-J+J为雅可比矩阵J的零空间,通过调节控制机械臂自运动。q=q0+(I-J+J)t(6)合理假定J+为满秩矩阵,则只有1个冗余自由度,即的所有元素不是独
22、立的。使用奇异值分解(SVD),可以将列向量变换为代数形式关系。雅可比矩阵J的奇异值分解可以表达为下式:J=PQT=P0Q1ST=PQ1T(7)式中:P R66,Q R77为酉矩阵;Q1 R76为次酉矩阵;S R71;R66,其对角线元素为雅可比矩阵J的奇异值。根据酉矩阵P和Q的正交特性,雅可比矩阵J的广义逆J+和雅可比矩阵J的零空间I-J+J可以改写为式(8)和式(9):J+=Q1-1PT(8)I-J+J=I-()Q1-1PT()P Q1T=I-Q1Q1T=SST(9)由于矩阵Q的7个列是实数空间R7的基,可以写成Q1的6列和S的1列的线性组合,如下式:=Q1+S(10)式中:为61列向量;
23、为自运动系数(本文机械臂冗余度为1)。这样,式(5)等号右边第二项可以简化为:(I-J+J)=SST(Q1+S)=S(11)因此,当末端位姿不变时,自运动过程可改写为:q=q0+(I-J+J)t=q0+St(12)按照式(12),对初始构型确定后的1个冗余自由度的宏机械臂进行构型遍历,仿真结果如图 3所示。空间机械臂关节变形为末端变形的主要部分,其中绕关节回转方向的刚度相比其他方向低1个量级,因此主要考虑关节回转方向刚度。宏机械臂在作为基座时,关节力矩与关节变形关系如下:=Kqq(13)式中:R7为宏机械臂关节力矩向量;q R7为宏机械臂由于关节力矩产生的关节变形向量;Kq=diag(kq1,
24、kq2,kq7)为关节刚度矩阵。由力雅可比定义=JT(q)F,有下述关系:x=J(q)q=J(q)Kq-1=J(q)Kq-1JT(q)F (14)为得到机械臂末端坐标系在外力作用下的变形x,上述公式中的J(q)均为相对机械臂末端坐标系的雅可比矩阵。上式中Kq-1为关节柔度矩阵。令方阵C(q)=J(q)Kq-1JT(q)为机械臂末端柔度矩阵,用以表示在操作空间的广义力F R6和广义变形 R6之间的线性关系,即:=x=C(q)F(15)2.52.01.51.00.500.51.08642001234宏机械臂末端位置 z/m宏机械臂末端位置 y/m宏机械臂基座宏机械臂末端宏机械臂末端位置 x/m肘部
25、关节自运动轨迹图3宏机械臂操作构型调整仿真算例Fig.3Simulation example of operation configuration adjustment for macro manipulator306第 2 期刘冬雨等:空间站组合臂安装载荷的自主安全操控策略代入大机械臂关节刚度,对应大机械臂初始构型下的自运动轨迹,可以获得大机械臂绕虚拟臂角平面旋转360条件下的机械臂末端z方向1 N操作力的变形量,如图4所示。从图中发现,在大机械臂末端z方向施加1 N作用力,沿着大臂末端坐标系三个方向的变形量在020 mm之间。这对于小臂恒力输出插合力造成一定程度的影响。从理论角度可以通过选
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