一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法技术

本发明专利技术的一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，解决机械臂通过封闭形式将本体拖拽至目标适配器位置完成本体适配器与目标适配器的对接操作问题，采用双臂交替主被动控制模式，即一条臂主动控制，另一条臂跟随控制，将另一条臂作为主动臂控制，之前的主动臂变为被动臂，左右臂交替进行主被动控制，通过这种方式实现形成形封闭和力封闭状态下的柔性拖曳及对接，本发明专利技术的方案为空间站舱外机器人提供一种双臂拖曳的新方案，实现有效对接。

【技术实现步骤摘要】
一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法
本专利技术涉及一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，属于空间机器人

技术介绍
现有双臂操作一般为双臂形成封闭链，且双臂采用力柔顺策略进行操作，应用场景一般为地面固定基座的双臂操作，或在轨双臂抓捕目标。现有的系统在排爆过程中，智能为两机械臂分配排爆任务，其解决的是机械臂运动过程中双臂之间或机械臂与障碍物之间的避碰问题，无法解决双臂拖拽本体运动、并将本体柔顺装配于目标位置的问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提出一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，是一种舱外机器人通过双臂将自己本体进行对接的应用场景，并给出一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作策略，解决的是采用舱外机器人采用双臂抓握扶手，形成形封闭和力封闭状态，然后通过柔性拖曳及对接将机械臂本体安装在目标适配器上的策略问题。本专利技术解决的技术方案为：一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，步骤如下：步骤S1、进行初始化，即设定机器人双臂结构参数(即为DH参数)、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长；双臂分别为主动臂和被动臂；步骤S2、根据步骤S1设定的机器人双臂结构参数(即为DH参数)、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长，规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径；步骤S3、根据步骤S1设定的机器人双臂结构参数，进行舱外机器人正、逆运动学求解，得到正运动学解和逆运动学解；步骤S4、根据步骤S2的规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径和步骤S3的正运动学解和逆运动学解，设定主动臂柔顺控制方式；步骤S5、设定被动臂零力控制方式；步骤S6、设定主动臂和被动臂交替控制方式，使主动臂柔顺控制方式和被动臂零力控制方式能够进行切换；步骤S7、根据任务要求，采用S6的主动臂和被动臂交替控制方式，使舱外机器人先接近目标，然后将自身固定在目标上，实现舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接。优选的，步骤S1、进行初始化，即设定机器人双臂结构参数(即为DH参数)、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长；双臂分别为主动臂和被动臂，具体如下：机器人双臂结构参数，即为双臂的DH参数，各臂的DH参数如图3所示可定义如下：杆件扭角αi：绕xi轴转动，从zi-1旋转到zi的转角；杆件长度ai：沿xi轴，从zi-1轴移动到zi轴的距离；关节距离di：沿zi-1轴，从xi-1移动到xi的距离；关节转角θi：绕zi-1轴转动，从xi-1旋转到xi的角度。按如下规则建立D-H坐标系：1)建立基座坐标系：以基座上感兴趣的位置为原点、关节1的运动轴正方向为z0轴，建立右手正交坐标系(x0,y0,z0)，其中，x0和y0轴与z0垂直，方向任选；2)对每个i(i＝1、…，n-1)，完成3至6步；3)建立连杆i坐标系的z轴(即zi轴)关节轴：以关节i+1的运动(转动或移动)轴正向为zi轴；4)建立连杆i坐标系的原点Oi：若zi和zi-1轴相交，则以两轴交点为原点；若zi和zi-1轴异面或平行，则以两轴的公垂线与zi轴的交点为原点；5)建立连杆i坐标系的x轴(即xi轴)：按xi＝±(zi-1×zi)/||zi-1×zi||建立xi轴，即使xi轴与zi-1及zi轴同时垂直；若zi-1与zi轴平行，则以它们的公垂线为xi轴；6)建立连杆i坐标系的y轴(即yi轴)：根据以建立的xi轴和zi轴，按右手定则建立yi轴，即令yi＝(zi×xi)/||zi×xi||。机器人末端的期望路径X(t)，t＝0，Δt，2×Δt，…，tf，是指：期望的机械臂末端随时间变化的三维空间下位姿序列，每个期望路径点X(j×Δt)，j＝0，1,2，…，nt，表示j×Δt时刻下，机械臂末端在三维空间下的坐标值xj，yj，zj，以及分别绕三个坐标轴的姿态角pj，qj，rj。姿态角方向为绕各坐标轴右手定则确定，如图2所示。路径规划时间tf，是指：机械臂末端执行末端路径的总时间，tf＝nt×Δt。时间步长Δt，是指：机械臂末端相邻路径点之间的时间间隔，一般时间步长为固定值。规划周期数nt，是指在路径规划时间tf内的时间步长总数。优选的，步骤S2、根据步骤S1设定的设定机器人双臂结构参数(即为DH参数)、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长，规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径，具体如下：在左、右机械臂抓捕到目标左抓手和右抓手后，如图4所示，左、右机械臂的末端操作器将与目标保持固定不变的相对位姿，那么，本体需要运动则变成运动端，而末端操作器变成固定端，常规机械臂路径规划主要是规划机械臂末端相对本体的路径，而本任务则需规划本体相对机械臂末端的路径，是逆操作。舱外机器人本体适配器需要与目标适配器对接，需要规划舱外机器人本体适配器相对目标适配器的位姿路径，首先确定舱外机器人本体适配器相对目标适配器的起始位姿Xa0(6×1向量)和终点位姿Xaf(6×1向量)，时间步长为Δt，采用三次多项式、五次多项式或者抛物线方式等常规路径规划函数对机械臂末端的位姿进行规划，可得到随时间变化的位姿序列Xa(t)(6×n矩阵)。如下考虑采用三次多项式进行规划：位姿序列Xs(t)用三次多项式描述，为Xa(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3对应该关节的速度和加速度公式为：该三次多项式有如下约束：Xa(0)＝Xa0Xa(tf)＝Xaf将上述约束代入速度和加速度公式可得：Xa0＝a00＝a1可以求得：a0＝Xa0a1＝0以上求得舱外机器人本体适配器相对目标适配器的位姿序列为Xa(t)，由于左臂基座和右臂基座均固定在本体，因此左臂基座和右臂基座位姿序列的姿态角均与Xa(t)中的姿态角相同，但位置存在偏移矩阵，即左臂基座相对目标适配器的位姿序列Xlb(t)为其中，Alb，3×3为从左臂基座坐标系olb-xlbylbzlb转换到目标适配器坐标系oa-xayaza的3维变换矩阵，I3×3为3维单位阵。同理可求得右臂相对目标适配器的位姿序列Xrb(t)为其中，Arb，3×3为从右臂基座坐标系orb-xrbyrbzrb转换到目标适配器坐标系oa-xayaza的3维变换矩阵，I3×3为3维单位阵。优选的，步骤S3、根据步骤S1设定的机器人双臂结构参数，进行舱外机器人正、逆运动学求解，得到正运动学解和逆运动学解，具体如下：确定机械臂末端起始位姿X0(对于左臂或右臂的机械臂末端，起始位姿表示为Xlb0)和终点位姿Xt(对于左臂的机械臂末端，终点位姿表示为Xtf)，时间步长为Δt，采用三次多项式、五次多项式或者抛物线方式等常规路径规划函本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，其特征在于步骤如下：/n步骤S1、进行初始化，即设定机器人双臂结构参数、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长；双臂分别为主动臂和被动臂；/n步骤S2、根据步骤S1设定的机器人双臂结构参数、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长，规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径；/n步骤S3、根据步骤S1设定的机器人双臂结构参数，进行舱外机器人正运动学、雅克比矩阵、逆运动学求解，得到正运动学解和逆运动学解；/n步骤S4、根据步骤S2的规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径和步骤S3的正运动学解和逆运动学解，设定主动臂柔顺控制方式；/n步骤S5、设定被动臂零力控制方式；/n步骤S6、设定主动臂和被动臂交替控制方式，使主动臂柔顺控制方式和被动臂零力控制方式能够进行切换；/n步骤S7、根据任务要求，采用S6的主动臂和被动臂交替控制方式，使舱外机器人先接近目标，然后将自身固定在目标上，实现舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接。/n

【技术特征摘要】
1.一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，其特征在于步骤如下：
步骤S1、进行初始化，即设定机器人双臂结构参数、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长；双臂分别为主动臂和被动臂；
步骤S2、根据步骤S1设定的机器人双臂结构参数、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长，规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径；
步骤S3、根据步骤S1设定的机器人双臂结构参数，进行舱外机器人正运动学、雅克比矩阵、逆运动学求解，得到正运动学解和逆运动学解；
步骤S4、根据步骤S2的规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径和步骤S3的正运动学解和逆运动学解，设定主动臂柔顺控制方式；
步骤S5、设定被动臂零力控制方式；
步骤S6、设定主动臂和被动臂交替控制方式，使主动臂柔顺控制方式和被动臂零力控制方式能够进行切换；
步骤S7、根据任务要求，采用S6的主动臂和被动臂交替控制方式，使舱外机器人先接近目标，然后将自身固定在目标上，实现舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接。


2.根据权利要求1所述的一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，其特征在于：步骤S1、进行初始化，即设定机器人双臂结构参数、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长；双臂分别为主动臂和被动臂，具体如下：
机器人，包括：双臂和本体；双臂中一个臂为主动臂，另一个则为被动臂；双臂分别设置于本体的两侧；每个臂，包括：臂杆；臂杆、关节、末端；每两根相邻臂杆之间设有关节、最近端的臂杆与本体连接；最远端的臂杆通过关节与末端连接；本体上设有六维力传感器，机器人双臂结构参数，即为双臂的DH参数。


3.根据权利要求1所述的一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，其特征在于：步骤S2、根据步骤S1设定的设定机器人双臂结构参数、机器人末端的期望路径、路径规划时间、时间步长，规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径，具体如下：
在左、右机械臂抓捕到目标左抓手和右抓手后，左、右机械臂的末端操作器将与目标保持固定不变的相对位姿，那么，本体需要运动则变成运动端，而末端操作器变成固定端，常规机械臂路径规划主要是规划机械臂末端相对本体的路径，而本任务则需规划本体相对机械臂末端的路径，是逆操作。


4.根据权利要求1所述的一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，其特征在于：步骤S3、根据步骤S1设定的机器人双臂结构参数，进行舱外机器人正、逆运动学求解，得到正运动学解和逆运动学解，具体如下：
确定机械臂末端起始位姿X0和终点位姿Xt，时间步长为Δt，采用三次多项式、五次多项式或者抛物线方式等常规路径规划函数对机械臂末端的位姿进行规划，可得到随时间变化的位姿序列X(t)。


5.根据权利要求1所述的一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，其特征在于：步骤S4、根据步骤S2的规划舱外机器人拖曳与对接逆操作路径和步骤S3的正运动学解和逆运动学解，设定主动臂柔顺控制方式，...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯月阳，卢山，王奉文，詹鹏宇，尹俊雄，徐文涛，林新迪，程浩，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31