中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 一种空间机械臂对接的控制策略研究# 邵曼，贾庆轩，陈钢** （北京邮电大学自动化学院，北京 100876） 摘要：为实现空间机械臂在舱体表面爬行过程中机械臂末端与指定对接口的对接任务，设计 了一种针对整体对接过程的控制策略。首先根据接触点的个数对可能出现的接触情况进行分 类，然后根据六维力传感器传递的实时接触力数据进行接触力分析，确定不同接触力数据对 应的不同对接情况，并针对不同类型的对接情况设计对应的对接控制策略。该整体控制策略 简单明了，易于工程实现。 关键词：空间机械臂；控制策略；接触力分析 中图分类号：TP24 Study on a Docking Control Strategy of the Space Manipulator Shao Man, Jia Qingxuan, Chen Gang (School of Automation, Beijing university of post and telecommunications, Beijing 100876) Abstract: To achieve the task of docking between the end of the space manipulator and the surface of the cabin, the control strategy for the whole docking process is designed. First, the possible docking situations are classified according to the number of contact points, then the real-time contact force data which are transferred by the six-dimensional force sensor are analyzed, and the different docking situations corresponded to the different contact force data are determined, at last the control strategy is designed. This overall control strategy is easy to achieve. Keywords: Space manipulator; control strategy; contact force analysis 5 10 15 20 25 0 引言 30 35 40 空间机械臂舱外服务的一项重要任务就是机械臂舱外爬行。能够在舱体爬行的机械臂可 以有效扩展机器人的工作范围。在整体爬行过程中，由于机械臂沿预定轨迹移动时可能产生 微小的偏差，会影响对接时机械臂的末端位姿，使得末端无法顺利完成对接，影响空间机械 臂整体舱外爬行任务的完成。 当今对接技术的研究主要是针对静态装配过程进行二维平面分析。Simunovic[1]研究了 插孔对接时出现的各种状态； Whitney[2]首先提出将整个插孔对接过程分为四个阶段；张锟 [3]等通过同时控制力与位置来完成插孔作业并取得了较好效果；Shahinpoor[4]等针对插孔作 业中可能出现的各种状态进行了几何分析以及动力学分析； Trong[5]在 Shahinpoor 研究的基 础上对动态装配过程进行几何分析，所提出的模型可以更清楚了解动态装配机制。但是以上 成果都无法直接用来解决空间机械臂舱外爬行过程中的末端对接问题。 针对具体工程问题，本文将空间机械臂爬行过程中与舱体的对接过程作为切入点，通过 对机械臂末端接触力信号的分析来判断接触情况，进而针对可能出现的对接情况设计整体控 制策略。 1 空间机械臂末端与对接口的简化模型 空间机械臂末端与对接口的机械结构较为复杂，为便于分析，在对整体对接过程进行分 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（BUPT2011rc0026，2011PTB-00-11） 作者简介：邵曼，（1987-），女，硕士研究生，主要研究方向：先进机器人技术。 通信联系人：贾庆轩，（1964-），男，教授，主要研究方向：空间机器人技术，虚拟现实技术. E-mail: tobeahappyfly@163.com - 1 - 

中国科技论文在线 析之前将对接模型简化如图 1 所示。 http://www.paper.edu.cn 45 50 55 60 65 图 1 对接简化模型 Figure 1 simplified docking model 进行如下定义： r ——空间机械臂末端半径； R ——对接口内半径； L ——对接口内高度； F ——六维力传感器反馈给机械臂的力信号（ ( = F F F F τ τ τ x z , , , , z y , y ) F F F ），其中 , x z , y x τ τ τ 为三维力矩信号； 为三维接触力信号， , x , y z 2 对接情况分类 根据对接过程中机械臂末端与对接口产生的接触点个数将对接过程中可能会发生的对 接情况分为三类。 第一类为无接触，如图 2 所示； 第二类为存在一个点的接触情况，如图 3 所示； 第三类为存在两个点及以上的接触（包括面接触）情况，如图 4 所示。 a b c 图 2 无接触时的对接情况 Figure 2 The docking situations with non-contact a b c 图 3 存在一点接触的对接情况 Figure 3 The docking situations with one point contact - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn a b c 图 4 存在两点及以上接触的对接情况 Figure 4 The docking situations with two-point or more contact 3 末端接触力分析 按以下步骤对六维力信号 ( = F F F F τ τ τ x z , , , x y ) y , F 1）判断 ( , = z 2）判断 zF 是否为零； x 3）判断 2 s s y+ 与 2r 的大小关系； 2 z y , , , , , F F F τ τ τ x z 是否为零； x y ) 进行分析： F 4）判断 zF 与 2 x F+ 的大小关系； 2 y F+ 与 zF 的大小关系。 F 5）判断 x 可能的接触点坐标 ( y x y z 需根据式 1 求出： s ) , , s s τ x τ y τ z = = = y F s z z F s x x F s y − − − z F s y x F s z y F s x ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭ （1） 由于存在两点接触情况，该坐标并不一定是正确的，还需进行下一步分析验证。 通过以上步骤可以综合判断出在当前力反馈信号下末端与对接口的状态。 下面根据以上步骤，分析不同类型接触力对应的对接状态。 第一步：当力信号为零时，机械臂末端与对接口无接触，对应图 2 所示的情况；当力信 号不为零时，对 zF 进行判断。 存在 zF ≠ ，对应图 3(a)(c)、图 4 所示情况。对于 0 zF = 时，为图 3(b)所示；当 第二步：当 zF ≠ 的情况，需要将图 3(a)、(c)、图 4(a)、(b)、(c)区分出来。 x 第三步：根据式 1 求出接触点的位置，判断 2 s 0 0 2 s = 时， 可以判断出接触点位于末端表面，为只有一个点接触的情况，即属于图 3 (a)、(c)所示情况； x ≠ ，说明计算出的接触点不在末端表面，即属于图 4(a)、(b)、(c)所示三种情况， 若 2 s 末端处于多点接触状态。 y+ 与 2r 的大小关系。当 2 x s + + y y r r 2 2 2 2 s s 70 75 80 85 90 F 第四步：对于图 3(a)、(c)所示情况，比较 zF 与 2 x 2 F+ 的大小关系。当 2 F x y + 2 F y > F z F 时，属于机械臂末端底边与侧面接触情况，如图 3(a)所示；当 2 x + 2 F y ≤ 时，属于末端 F z 底边与对接口底面接触的情况，如图 3(c)所示。 F 第五步：对于图 4(a)、(b)、(c)所示三种情况，判断 x F y 时，属于图 4(c)所示状态。 F z + 95 F x F+ 与 zF 的大小关系。当 y - 3 - 

中国科技论文在线 4 控制策略设计 http://www.paper.edu.cn 按空间机械臂末端与对接口进行对接的时间顺序，将整个对接过程分为三个阶段，首先 是机械臂末端接近对接口阶段，然后是开始对接阶段，最后是对接结束阶段。 整体控制策略设计如下。 100 4.1 机械臂末端接近对接口阶段 在机械臂末端接近对接口时，会发生两种情况：六维力传感器反馈力信号不为零，此时 进入对接状态，每周期检测力信号，并开始分析接触力，应用控制策略；按照规划轨迹指引 此时应该进入对接状态，同样开始每周期检测力信号。 该过程如图 5 所示。 E x + E y E z 105 110 图 5 开始对接阶段的判断流程图 Figure 5 Judgment flow chart of the beginning of docking process 4.2 机械臂开始对接运动阶段 对接运动开始后，在不断检测力信号的情况下，如果有接触力产生，即对接触力进行分 析，当判断对接情况为图 3(a)(b)时，应用阻抗控制实现对接时的力控制；当对接情况为图 3(c)、图 4(a)(b)所示时，在当前运动周期只调整末端姿态，该过程如图 6 所示。 zF 2 x s + 2 y s = 2 r 2 F x + 2 F y > F z F x + F y F z 115 图 6 对接进行阶段的控制流程图 Figure6 Control flow chart of the docking process - 4 - 

中国科技论文在线 4.3 对接结束阶段 http://www.paper.edu.cn 当判断出对接情况如图 4(c)所示时，对接进入结束阶段，此时无论机械臂是否走完末端 规划轨迹，都停止运动，在保持接触力处于一个微小状态的情况下，调整末端姿态，直到对 接完成。该过程如图 7 所示。 F x + F y F z F x F= y = 0 120 125 130 135 140 图 7 对接结束阶段的控制流程图 Figure7 Control flow chart of the ending of docking process 5 结论 本文设计了一种根据接触力信息完成空间机械臂与舱体表面对接的整体控制策略，该策 略通过对接触力的分析弥补机械臂末端对环境了解的不足，并且对末端与环境及接触产生的 接触力进行三维力分析，能够提高分析的准确性。本文提出的控制策略也存在不足之处，此 后的工作应当将针对力矩信息进行更精确分析并细化控制策略的设计，减少控制策略中的不 确定因素。 [参考文献] (References) [1] Simunovic. S. N. Force Information in Assembly Process[J]. The 5th International Symposium on Industrial Robots, Chicago, Sept., 1975：414-431. [2] Whitney. D. E. Quasi-Static Assembly of the Compliantly Supported Rigid Parts[J]. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Transactions of the ASME, March, 1982, Vol.104：65-77. [3] 张锟, 韦庆, 常文森. 一种基于力位混合控制进行插孔的策略[J]. 机器人  [4] M. Shahinpoor, H. Zohoor. Analysis of Dynamic Insertion Type Assembly for Manufacturing Automation[J]. IEEE Conf on Robotics and Automation, 1991：2458-2464. [5] D. Nguyen Trong, M. betemps, A. Jutard. Analysis of Dynamic Assembly Using Passive Compliance[J]. IEEE Conf on Robotics and Automation, 1995：1997-2002. , Jan., 2002, 24(1)：44-48. - 5 -