在軌空間機(jī)器人參數(shù)辨識(shí)研究

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1、10中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology2010年2月第1期在軌空間機(jī)器人參數(shù)辨識(shí)研究田富洋吳洪濤趙大旭邵兵孫宏麗朱劍英(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016)摘要文章以在軌自由漂浮空間機(jī)器人為研究對(duì)象，建立了基于空間算子代數(shù)的空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，研究了機(jī)器人本體和所抓取未知目標(biāo)衛(wèi)星的參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題，如本體和未知目標(biāo)的質(zhì)心、質(zhì)量以及慣量張量等參數(shù)。首先基于空間算子代數(shù)理論建立空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)符號(hào)模型；然后基于線動(dòng)量及角動(dòng)量守恒方程即可對(duì)空間機(jī)器人本體和未知目標(biāo)衛(wèi)

2、星進(jìn)行未知參數(shù)的辨識(shí)；隨后分析了機(jī)器人的參數(shù)對(duì)辨識(shí)過(guò)程的影響以及參數(shù)辨識(shí)對(duì)控制規(guī)律的影響。在地面實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了本參數(shù)識(shí)別方法的可行性以及效果。關(guān)鍵詞機(jī)器人參數(shù)辨識(shí)空間算子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型航天器1引言自由飛行／漂浮空間機(jī)器人是航天領(lǐng)域中的一個(gè)重要發(fā)展方向，也是今后空間開(kāi)發(fā)必備的基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]。由于空間機(jī)器人本體的質(zhì)量隨著載荷及燃料的消耗而發(fā)生變化，以及目標(biāo)衛(wèi)星的慣性參數(shù)往往是未知的，因此在空間機(jī)器人抓取未知目標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)控制時(shí)必須首先進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。同時(shí)由于大型在軌服務(wù)空間機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，動(dòng)態(tài)耦合問(wèn)題十分突出，在地

3、面上很難實(shí)施全尺寸的動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn)。因此，開(kāi)展在軌空間機(jī)器人參數(shù)辨識(shí)技術(shù)研究是具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值¨J。Slotine和Adenilson利用空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)L4_5J，此方法的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人不需要初始速度，缺點(diǎn)在于必須測(cè)量機(jī)器人各關(guān)節(jié)的加速度信號(hào)以及力矩信息，并且需要考慮阻尼的影響，而且利用動(dòng)力學(xué)進(jìn)行辨識(shí)會(huì)大量消耗空間機(jī)器人的能量。Murotsu和Senda等人提出了基于線動(dòng)量和角動(dòng)量守恒的參數(shù)辨識(shí)算法來(lái)確定系統(tǒng)的質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但利用該方法建立的線性方程組是奇異性的，無(wú)法

4、求解慣量參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)【63；郭琦等人利用這種方法對(duì)雙臂空間機(jī)器人抓取未知目標(biāo)進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別的研究L7j。但他們都沒(méi)有分析各種因素對(duì)參數(shù)辨識(shí)的影響、前提條件以及鉸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響，忽略了利用該法所建立方程組是奇異性的問(wèn)題。利用該方法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)的前提條件，是空間機(jī)器人需要帶有相當(dāng)數(shù)量的機(jī)械臂以及機(jī)械臂需要有初始速度。本文首先基于空間算子代數(shù)理論，建立了空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，然后根據(jù)空間機(jī)器人的動(dòng)量守恒特性，研究了機(jī)器人本體和所抓取的未知目標(biāo)衛(wèi)星的參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題，并且吸取前人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，分析了避免動(dòng)量守恒方程組產(chǎn)

5、生奇異性問(wèn)題的方法。根據(jù)已知的參數(shù)，首先依次使各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸具有初始速度，通過(guò)安裝在本體上的測(cè)速計(jì)依次檢測(cè)出本體的線速度和角速度，建立一系列系統(tǒng)的線動(dòng)量和角動(dòng)量守恒的線性方程組，求解出空間機(jī)器人本體的質(zhì)量、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)；在空間機(jī)器人抓取目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)，按照相同的算法，確定末端執(zhí)行器抓取的未知衛(wèi)星目標(biāo)的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；隨后分析了利用該方法進(jìn)行空間機(jī)器人參數(shù)辨識(shí)時(shí)的前提條件以及影響因素。國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50375071)}國(guó)防科工委。十一五”某預(yù)研基金資助項(xiàng)目收稿日期：2009—03—25。收修改

6、稿日期：2009—07—092010年2月中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)2空間機(jī)器人模型建立2．1空間機(jī)器人坐標(biāo)系本文研究的空間機(jī)器人和未知目標(biāo)系統(tǒng)如圖1所示。機(jī)器人具有一個(gè)本體(o體)和n(n>2)個(gè)機(jī)械臂通過(guò)以個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸連接的鏈?zhǔn)絼傂远囿w系統(tǒng)。為方便遞推運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，假定空間機(jī)器人本體與大地之間有一個(gè)6自由度虛擬鉸。整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：一個(gè)為包括衛(wèi)星本體的本體系統(tǒng)；另一個(gè)為包括各個(gè)機(jī)械臂的機(jī)械臂系統(tǒng)；最后一個(gè)為由未知目標(biāo)衛(wèi)星和末端執(zhí)行器組成的未知體系統(tǒng)(行+1體)。用坐標(biāo)系乏f、三。、三i、毛+。分別表示慣性參考系、衛(wèi)星

7、本體參考系、固定在鉸i上的操作臂參考系以及未知目標(biāo)參考系。慣性系的原點(diǎn)固定在整個(gè)空間機(jī)器人系統(tǒng)的質(zhì)心位置。未知目標(biāo)衛(wèi)星是被機(jī)械臂牢牢的抓住，其位置和方!77=矽777大地圖1空間機(jī)器人模型向相對(duì)于末端手爪不發(fā)生改變。為方便辨識(shí)，采用分步識(shí)別方法，在進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中，每步只考慮一個(gè)鉸運(yùn)動(dòng)，其余鉸為鎖定的，這樣就把研究的系統(tǒng)簡(jiǎn)化為通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉸連接的兩個(gè)剛體組成的二體系統(tǒng)。2．2空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)在本文中，理論推導(dǎo)過(guò)程采用符號(hào)推導(dǎo)軟件Mathematica和手工推導(dǎo)相結(jié)合的方法得到，并且為簡(jiǎn)化符號(hào)推算的復(fù)雜性，本文研究

8、的空間漂浮機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)是基于高效遞推形式表示的。定義系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)為：g=[q。，0；]7，其中：口。=[乳，‰，如，‰，徹，r神]T，8i=[口。，?，六]T。在本文中所出現(xiàn)的符號(hào)，左上角標(biāo)表示該符號(hào)在所在的坐標(biāo)系下表示。如符號(hào)。多(o)和?！?o)，其中，由表示線速度，∞表示角速度，o五(o)和o∞(o)則分別表示空間機(jī)器人系統(tǒng)本體的坐標(biāo)系原點(diǎn)在本體坐標(biāo)系下的線速度和角速度。