空间机器人捕获运动目标的协调规划与控制方法
空间柔性机器人在轨抓取与转移目标动力学与控制
建模分析
空间柔性机械臂的建模过程包括对其结构、材料选择、动力学等方面的分析。 首先，在结构方面，需要考虑机械臂的长度、自由度、关节类型等因素，以使 其适应不同的任务需求。其次，在材料选择方面，应选择轻质、高强度、耐腐 蚀等性能优越的材料，以确保机械臂在太空环境下的稳定性和可靠性。最后， 在动力学方面，需要建立准确的数学模型，以描述机械臂在轨运行时的动态特 性。
3、姿态估计：常用的姿态估计方法包括最小二乘法、卡尔曼滤波器等。这些 方法可以对机械臂末端执行器的姿态进行实时估算，从而为控制系统的决策提 供准确依据。
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五、智能感知与交互
智能感知和交互设备是空间柔性机器人的重要组成部分，用于实现机器人与外 部环境的交互和感知。视觉传感器、红外传感器、超声波传感器等是常用的感 知设备，能够获取环境中的图像、温度、距离等信息。同时，空间柔性机器人 还具有与其他设备或人员的交互能力，例如通过无线通信与地面控制中心进行 信息交换，或者与空间机器人进行协同作业等。
空间柔性机器人在轨抓取与转 移目标动力学与控制
目录
01 一、引言
03
三、抓取与转移目标 动力学与控制
02 二、总体结构
04
四、面向任务的目标 识别与适应控制
目录
05 五、智能感知与交互
07 七、结论
06 六、安全与可靠性 08 参考内容
随着空间探索的不断深入，空间机器人在轨服务已成为越来越重要的研究方向。 其中，空间柔性机器人在轨抓取和转移目标成为一项关键技术。本次演示将介 绍空间柔性机器人的概念、总体结构、抓取与转移目标动力学与控制、面向任 务的目标识别与适应控制、智能感知与交互以及安全与可靠性等方面的内容。
七、结论
空间柔性机器人在轨抓取和转移目标具有广泛的应用前景和发展潜力。通过对 其总体结构、抓取与转移目标动力学与控制、面向任务的目标识别与适应控制、 智能感知与交互以及安全与可靠性等方面的研究，可以不断提高机器人的性能 和可靠性，拓展其在空间探索领域的应用范围。未来，随着技术的不断进步和 发展，空间柔性机器人将在更广泛的领域发挥重要作用，为人类探索未知领域 提供重要支持。
机器人导航技术的路径规划与运动控制方法
机器人导航技术的路径规划与运动控制方法机器人导航技术的路径规划与运动控制方法是指通过算法和控制方法使机器人能够准确地规划路径并实现运动控制。
随着机器人技术的快速发展，路径规划和运动控制成为实现机器人自主导航和工作的重要技术。
本文将介绍机器人导航技术的路径规划与运动控制方法，并探讨其在不同领域的应用。
路径规划是机器人导航技术的核心问题之一，它涉及到如何选择最优的路径，使机器人能够避免障碍物并快速到达目标位置。
常见的路径规划方法包括基于图搜索的方法、基于规则的方法、基于学习的方法等。
基于图搜索的方法是指将环境建模成一个图，利用图搜索算法（如A*算法、Dijkstra算法）从起始点到目标点寻找最短路径。
这种方法的优点是能够找到全局最优路径，但计算量较大且对环境变化敏感。
基于规则的方法是指根据一些规则和启发性信息来制定导航策略。
比如，机器人在导航过程中遵循避让障碍物和尽量选择直线路径的规则。
这种方法相对简单且计算量较小，适用于一些简单的环境。
但是，它不能应对复杂和动态的环境。
基于学习的方法是指利用机器学习算法建立机器人的导航模型，通过学习和优化得到最优的路径规划策略。
这种方法的优点是适应性强，能够处理复杂和动态的环境。
像深度强化学习算法、遗传算法等都可以用来实现机器人的路径规划。
然而，由于机器学习算法的复杂性和需大量的训练数据，这种方法的实现相对较困难。
除了路径规划，机器人导航技术还需要运动控制方法来实现机器人的运动。
运动控制是指机器人根据规划好的路径，在实际环境中实时感知并控制自身的运动。
在机器人导航技术中，常见的运动控制方法包括轨迹跟踪控制、动态避障控制和运动估计方法等。
轨迹跟踪控制是指机器人根据路径规划结果，在运动过程中实时调整自身的运动轨迹，使其尽量贴近规划好的路径。
通常采用的控制方法有PID控制、模糊控制和自适应控制等。
这些控制方法通过不断调整机器人的速度、角度和位置等参数，来实现轨迹的精确跟踪。
机器人智能控制中的运动规划与路径规划技术
机器人智能控制中的运动规划与路径规划技术在现代社会中，机器人已经成为了不可或缺的一部分，它们在日常生活中的应用越来越普遍，从简单的家用电器到复杂的自动驾驶汽车，机器人的运动控制技术已经发展到了一个非常高的水平。
在机器人的运动控制过程中，运动规划与路径规划技术是非常重要的一环，它们能够帮助机器人实现高效、准确的运动控制。
一、运动规划技术运动规划技术是机器人进行动作规划与控制的关键技术之一，它主要涉及到机器人的连续轨迹规划与控制，可以在不同的环境中生成合适的运动轨迹，使机器人的运动变得更加高效和精准。
在运动规划技术中，机器人的运动控制算法通常有两种：离线算法和在线算法。
离线算法通过精密的数学模拟得出机器人的运动轨迹，而在线算法则能够更加快速的适应不同的环境变化，在机器人的实时执行过程中进行动态规划，从而实现更加快速、准确的运动控制。
在离线算法中，最常用的运动规划技术是基于优化的方法，通过对机器人运动轨迹进行数学优化来实现运动规划。
优化算法主要涉及到约束优化问题和非线性规划问题，其中约束优化问题可以通过拉格朗日乘数法和KKT条件等方法来求解，而非线性规划问题则通常使用基于序列二次规划的方法进行求解。
在在线算法中，最常用的运动规划技术是基于模型预测控制的方法，该方法可以通过对机器人的动力学模型进行建模预测，从而实现实时的运动规划和动态控制。
在模型预测控制中，通常使用状态空间模型和卡尔曼滤波算法来描述机器人的运动状态，并通过引入控制器来控制机器人的运动。
二、路径规划技术路径规划技术是机器人移动和导航的重要技术，通过规划机器人的运动路径来实现机器人的自主移动和导航，从而实现机器人的多种操作和任务。
在路径规划技术中，常用的方法包括基于图搜索算法和基于样条插值算法。
其中最常用的图搜索算法在机器人路径规划中的应用是广度优先搜索（BFS）、最短路径搜索算法（Dijkstra）和A*算法等。
这些算法通常先在地图中建立起虚拟的地图模型，然后在虚拟地图中搜索机器人的移动路径，并通过启发式函数来实现路径搜索的优化，从而实现机器人路径规划的效果。
机器人运动规划与控制
机器人运动规划与控制近年来，随着机器人技术的不断发展，机器人在各方面应用越来越广泛。
然而，机器人的运动规划和控制一直是机器人技术中的瓶颈问题。
本文将重点探讨机器人运动规划与控制的相关知识。
一、机器人运动规划机器人运动规划是指规划机器人在空间中的运动轨迹，使其能够按照既定的路径完成任务。
机器人运动规划包括路径规划和轨迹生成两个方面。
1、路径规划路径规划是指根据机器人的运动要求和环境特点，在给定的场景中寻找一条合适的路径，使机器人能够从起点到达终点，并且避开障碍物和危险区域。
路径规划的主要目标是最短时间、最短距离、最小能耗、最小误差等。
路径规划方法主要包括全局搜索算法、局部搜索算法和随机搜索算法三种。
其中，全局搜索算法采用整个环境的信息进行搜索，局部搜索算法只考虑当前位置周围区域的信息，随机搜索算法则是根据机器人各关节的运动范围，在指定的区域中随机搜索路径。
2、轨迹生成轨迹生成是指根据规划出的路径和运动要求，通过数学模型计算机器人运动轨迹，产生机器人运动控制信息，使其沿着规划路径进行运动。
轨迹生成是机器人运动规划中的重点和难点。
在实际应用中，由于机器人关节自由度较高，路径规划产生的路径可能并不是由机器人运动的实际轨迹，需要设计合理的轨迹生成算法来解决这一问题。
二、机器人运动控制机器人运动控制是指控制机器人按照规划好的轨迹进行运动，使其能够完成既定任务。
机器人运动控制包括开环控制和闭环控制两种。
1、开环控制开环控制是指根据机器人运动规划产生的轨迹，直接执行控制命令，以使机器人按照规划好的路径进行运动。
开环控制方法简单、控制量容易计算，但由于没有反馈控制，所以对外部干扰容易敏感，控制精度不高。
2、闭环控制闭环控制是指通过传感器对机器人运动过程进行反馈控制，使其按照规划好的路径进行运动。
闭环控制方法通过测量机器人的实际运动状态，与期望运动状态进行比较，计算误差，并根据误差大小执行控制命令。
闭环控制方法对机器人运动过程中的干扰具有一定的抗干扰能力，表现出一定的控制精度和稳定性。
机器人控制中的运动规划与路径规划策略分析
机器人控制中的运动规划与路径规划策略分析机器人技术的发展使得机器人在各个领域扮演着越来越重要的角色。
而机器人的运动规划与路径规划策略则是实现机器人控制的关键一环。
本文将深入探讨机器人控制中的运动规划与路径规划策略的原理与应用，以期为机器人技术的进一步发展做出贡献。
一、运动规划策略的原理与方法1. 运动规划的概念和作用运动规划是指为机器人设定一系列的轨迹和动作，以达到预定的目标。
其作用是确保机器人能够以最优的方式在给定的环境中完成任务。
2. 运动规划策略的分类运动规划策略可以分为基于模型的方法和基于学习的方法两大类。
基于模型的方法依赖于建立机器人空间模型和环境模型，通过规划算法进行路径规划。
而基于学习的方法则是通过机器学习技术自动学习并优化机器人的运动规划策略。
3. 运动规划策略的算法经典的运动规划算法包括A*算法、Dijkstra算法和RRT算法等。
A*算法基于图搜索的思想，通过启发式函数评估节点的优先级，找到最优路径。
Dijkstra算法则是通过广度优先搜索的方式来找到最短路径。
而RRT算法则是一种无模型的随机采样方法，通过不断生长树来规划路径。
二、路径规划策略的原理与方法1. 路径规划的概念和作用路径规划是指在给定的环境中通过选择合适的路径实现机器人的移动。
其作用是确保机器人能够碰到尽可能少的障碍物，并且以最短的路径到达目的地。
2. 路径规划策略的分类路径规划策略可以分为全局路径规划和局部路径规划两大类。
全局路径规划是在给定的环境中基于全局地图进行路径规划，以实现从起点到终点的最短路径。
而局部路径规划则是在机器人移动过程中根据实时感知到的环境信息进行路径规划，以避开障碍物。
3. 路径规划策略的算法经典的路径规划算法包括最短路径算法、最小树算法和启发式搜索算法等。
最短路径算法如Dijkstra算法和A*算法在全局路径规划中得到广泛应用。
最小树算法如Prim算法和Kruskal算法则用于生成具有最小生成树的路径。
机器人的协作和协同控制方法
机器人的协作和协同控制方法机器人协作和协同控制方法是人工智能领域中的重要研究方向之一，它涉及到多个机器人之间的合作与协同，以实现共同的任务。
随着科技的不断发展，机器人在各个领域的应用也越来越广泛，因此如何使多个机器人之间实现高效协作成为了一个备受关注的问题。
本文将探讨机器人协作和协同控制方法的相关研究现状以及未来的发展趋势。
在机器人领域中，通常会遇到各种复杂的任务，有些任务需要多个机器人之间协作才能完成。
比如在工厂生产线上，多个机器人协同作业可以大大提高生产效率；在救援任务中，多个机器人组成的救援队伍可以更快速地找到被困者。
因此，如何实现机器人之间的协作成为了一个重要的研究课题。
目前，机器人协作常用的方法包括集中式控制、分布式控制和混合式控制。
集中式控制是指由一个控制器来协调多个机器人的活动，这种方法简单直接，但是当机器人数量较多时会造成控制器负担过重。
分布式控制是指每个机器人单独做出决策，通过通信与其他机器人进行协调，这种方法对系统的容错性要求较高。
混合式控制则结合了上述两种方法的优点，实现了较好的性能。
除了控制方法，机器人协作还需要考虑到各种不确定因素，比如环境变化、通信延迟等。
如何使机器人能够适应各种不确定因素，实现高效的协作，是一个具有挑战性的问题。
近年来，一些学者提出了基于强化学习的方法来解决这个问题。
强化学习是一种通过与环境不断交互来学习最优策略的方法，它已经在单个机器人控制中取得了一定的成果，可以进一步应用于机器人协作领域。
另外，机器人协作还需要考虑到机器人之间的沟通与协商。
在多个机器人协作的过程中，机器人之间需要不断地进行信息交换与沟通，以达成共识。
而协商则是指机器人之间通过讨论、交流等方式来确定最终的行动方案。
如何设计有效的通信协议和协商机制，是机器人协作中的一个关键问题。
除了上述的基础研究外，机器人协作还涉及到许多具体应用领域。
比如在医疗领域，多个手术机器人可以协同作业，提高手术效率和精度；在农业领域，多个农业机器人可以协同作业，提高农作物的产量；在交通领域，多个自动驾驶车辆可以协同行驶，提高交通效率。
空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制研究
空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制研究一、概述随着科技的不断发展，空间机器人在太空探索、资源开采、卫星维修、在轨服务等领域的应用日益广泛。
在这些应用中，空间机器人需要自主捕获目标，并进行精确的轨迹规划与控制，以实现高效、安全的任务执行。
对空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制进行研究具有重要的理论价值和实际应用意义。
空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制涉及多个关键技术，包括目标识别与定位、轨迹规划、控制算法设计、动力学建模与优化等。
目标识别与定位是轨迹规划与控制的前提，需要准确获取目标的位置和姿态信息。
轨迹规划则需要根据任务需求和空间环境，设计出满足约束条件的机器人运动轨迹。
控制算法设计则需要考虑空间机器人的动力学特性和控制精度要求，以实现精确的运动控制。
本文旨在探讨空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制方法，重点研究目标识别与定位、轨迹规划、控制算法设计等方面的关键技术。
对空间机器人的动力学建模与优化进行分析，为后续的轨迹规划与控制提供理论基础。
研究基于视觉的目标识别与定位方法，实现对目标的快速准确识别。
接着，针对空间机器人自主捕获目标的任务需求，设计满足约束条件的轨迹规划算法。
研究基于优化算法的控制策略，实现对空间机器人的精确运动控制。
通过本文的研究，旨在为空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制提供有效的理论支持和技术指导，推动空间机器人在太空探索、资源开采、卫星维修等领域的应用发展。
1. 研究背景与意义随着空间技术的发展，空间机器人在执行深空探测、在轨服务、空间基础设施建设等任务中发挥着越来越重要的作用。
这些任务往往要求空间机器人具备高度的自主性和精确的操作能力，尤其是在复杂、不确定的空间环境中。
空间机器人的轨迹规划与控制技术成为实现其高效、安全执行任务的关键。
研究空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制，具有重大的理论与实际意义。
从理论层面来看，这一研究有助于深化和完善空间机器人学的基本理论，推动其从传统的遥控操作向智能化、自主化方向发展。
空间机器人的控制与优化设计
空间机器人的控制与优化设计随着人类研究探索宇宙的步伐加快，空间机器人成为了执行卫星维修、空间科学实验等任务的重要工具。
而空间机器人的控制和优化设计是实现这些任务的核心。
本文将介绍空间机器人控制的基本原理和优化设计方法。
一、空间机器人的控制1. 轨迹规划与控制在空间中，机器人需要按照经过预定的轨道进行运动，通常所需的轨迹包括直线运动、圆弧运动和三次样条曲线运动等。
轨迹规划的目的是确定机器人在时间和空间上的运动规律，而控制则是监测和调整机器人的运动状态，确保机器人能按照预定轨迹运动。
常用的控制方法有PID控制器、模糊控制器、自适应控制器等。
2. 姿态控制与稳定机器人的姿态控制和稳定是指保持机器人的姿态在一定的范围内不变。
姿态通常由三角度的欧拉角或四元数描述。
姿态控制通常采用反馈控制方法或预测控制方法。
稳定性问题则通常考虑系统的动态响应和节能问题，常用的稳定方法有PD控制器、滑模控制、鲁棒控制等。
3. 操作控制与通信机器人在执行任务的过程中需要随时接受控制指令来完成特定的操作。
机器人控制系统应具有可靠的通信功能，以确保控制指令能够准确、及时地传递。
常用的通信方式有无线电通信、激光通信和可视化通信等。
此外，机器人控制系统还应具备实现自主决策和安全保障的能力。
二、空间机器人的优化设计1. 结构设计机器人的结构设计是指确定机器人的物理结构和零部件，包括机械结构、控制系统和传感器等。
结构设计应既满足任务需求，又兼顾机器人的质量、稳定性和可重构性。
机器人的设计要尽量降低能耗、减少体积和重量，以提高机器人的固有频率和减少损耗。
2. 传感器设计机器人系统需要采用各种传感器实现环境感知、姿态控制和操作控制等功能。
传感器设计要考虑到传感器的灵敏度、精度、重复性和自校准性等指标，以适应不同任务的需要。
例如，在空间环境下，空气密度较小，污染较少，因此机器人可以利用气压计、加速度计、陀螺仪等进行姿态控制和导航。
3. 能量管理设计空间机器人的能源管理设计是提高机器人可用时间和任务效率的重要手段。
机器人抓取运动目标轨迹规划与控制
I．引言机器人抓取运动目标是指机器人基于内部控制系统的控制，完成运动目标的跟踪和抓取，是智能机器人的一个前沿应用课题，在工业、航天和娱乐等领域有良好的应用前景。
在运动目标的捕捉中，一方面，机器人手爪必须快速跟踪并接近目标;另一方面必须能够感知环境以避开可能的障碍，其中状态反馈和路径规划需要很高的实时性和抗干扰能力。
此外，系统还受到动力学约束、关节几何约束等限制，而这一切都必须在实时条件下完成。
抓取运动目标技术在航空航天、工业生产、遥感技术、军事技术、特殊环境作业等多领域有着广泛的应用。
该技术的研究最典型的应用就在于太空卫星捕捉机器人，众所周知由宇航员来接近和捕捉正在旋转的卫星很危险而且困难，从而使人们意识到应该使用机器人进行太空服务，近年来越来越多的机器臂装配到了航天设备上。
此外，抓取运动目标的技术还可以应用在工业生产过程中抓取装配线传送带上正在运动的零部件；球类机器人（如：足球机器人，排球机器人等）；太空、深海等场合的自动对接和作业。
对于机器人抓取运动目标，其末端机械手的动作规划和目标检测等问题就需要传感技术与机器人控制技术的完美结合。
目前，对于目标状态的测取一般采用图像传感（CCD摄像机），但是单视觉反馈有着它自身的缺陷，单摄像机模型往往能够获得较为精确的平面位置信息，而不能获得精确的深度信息。
为此，在状态测取时，一般采用多摄像机模型或摄像机与位置传感器相结合模型。
对于抓取运动目标动作规划目前一般存在有三种方法：直接瞄准法、比例导引法、以及预测-规划-执行( Prediction Planning and Execution，PPE) 方法。
后文将具体讨论以上内容。
II．系统组成下图是一个典型的机器人抓取运动目标的系统方框图。
抓取运动咪表的机器人与一般的机器人相比，其操作对象大多为状态参数不确定的运动目标，同时机器人与目标之间的接触速度较高。
因此必须着重研究以下问题: 实时状态测取、运动路径规划、机器人运动控制。
基于运动捕捉技术的机器人路径规划与运动控制优化
基于运动捕捉技术的机器人路径规划与运动控制优化近年来，随着科技的不断发展和人工智能的深入应用，机器人技术得到了飞速的发展。
基于运动捕捉技术的机器人路径规划与运动控制优化是当前机器人领域内一个重要且具有挑战性的研究方向。
本文将就该主题展开介绍和探讨。
首先，我们来了解一下运动捕捉技术。
运动捕捉技术是指通过各种传感器和设备对运动物体进行实时监测和数据采集，并以此为基础进行机器人路径规划和控制。
运动捕捉技术的发展为机器人的灵活性和智能化带来了很大的提升。
通过运动捕捉技术，机器人可以准确地感知自身的位置和姿态，从而实现高效的路径规划和运动控制。
基于运动捕捉技术的机器人路径规划是指根据机器人所处的环境和任务要求，确定机器人从起点到终点的最佳路径。
路径规划是机器人导航和运动控制的基础，直接影响着机器人的运动效率和效果。
在路径规划中，机器人需要根据环境中的障碍物和约束条件，通过运动捕捉技术获取的数据进行分析和判断，选择一条不与障碍物相交的最短路径。
而运动控制优化则是在路径规划的基础上，进一步优化机器人的运动控制方式，以提高机器人的运动精度和稳定性。
在运动控制优化中，运动捕捉技术扮演着重要的角色。
通过实时监测和记录机器人的运动数据，分析机器人的运动特点和行为，优化控制算法和调整参数，使机器人的运动更加精确和流畅。
在基于运动捕捉技术的机器人路径规划与运动控制优化中，有几个关键的技术要点值得我们关注：1. 传感器技术：运动捕捉技术的实现需要运用到各种传感器，例如摄像头、惯性传感器、激光扫描仪等，这些传感器负责采集机器人周围的环境信息和自身姿态信息，并对数据进行处理和分析。
2. 数据处理和分析：传感器采集到的数据需要经过处理和分析，以获取准确的信息用于路径规划和控制优化。
数据处理和分析的方法包括图像处理、数据滤波、模式识别等。
3. 路径规划算法：路径规划算法是决定机器人如何选择最佳路径的关键。
常用的路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法、RRT算法等。
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自主行为是空间机器人执行复杂而困 难 工 作 的 必 要 条 件[1] .为 实 现 对 目 标 的 自 主 交 会 与 捕 获， 空 间 机 器 人 需 要 执 行 笛 卡 尔 空 间 连 续 路 径 的 运 动[2] .Yoshida和Umetani提 出 了基于广义Jacobian矩阵GJM(Generalized Jacobian Matrix)及有保证工作空间GWS(Guaranteed Workspace)的 路 径 规 划 方 法[3] ， Nagamatsu等 采 用 扩 展Kalman滤 波 器 预 测 目 标 的 运 动 状 态，规 划空间机械臂对翻滚卫星进行自主捕获的运 动[4] 。McCourt和Silva开发了基于模型的预测控制 算法， 捕获以一定随机轨迹运动的目标卫星[5] . 王昊 瀛等研究了目标捕获后的自适应控制问题[6] ，金飞 虎等研制了平面双臂的实验系统，对基于视觉的目 标捕获规划算法进行验证[7] . Xu等也对合作目标的
nLeabharlann ve ωe上式中，ˆbω 0 + J ˆm Θ ˙ =J
(11)
ˆb = J
−p ˜ge E3
(12)
ˆm = J
k 1 × (p e − p ˆ1 ) . . . k n × (p e − p ˆn ) k1 ... kn (13)
rg = Mr
i=0
mir i
(3)
矩阵E3 是单位矩阵.
则基座的质心位置矢量为
收稿日期 XXXX-XX-XX 收修改稿日期 XXXX-XX-XX Received Month Date, Year; in revised form Month Date, Year 国 家 自 然 科 学 基 金(60805033), 中 国 博 士 后 科 学 基 金(20080440116)资助 Supported by National Natural Science Foundation of China (No.60805033) , China Postdoctoral Science Foundation under research grants (No. 20080440116) 1. 哈尔滨工业大学空间智能系统研究所 哈尔滨 150001 2. 哈尔滨 工业大学控制科学与工程系 哈尔滨 150001 1. The Institute of Space Intelligent System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China 2. Department of Control Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China DOI: 10.3724/SP.J.1004.2008.xxxxx
自主捕获进行了系统的研究，并研制了目标捕获地 面实验系统[8] ， 开展了大量的地面实验[9] . 然 而， 除Yoshida和Umetani的 研 究 外[3] ， 大 多数都是考虑目标在空间机器人的工作 空 间 内 缓 慢 运 动 的 情 况,而Yoshida和Umetani也 做 了 较 多 的 假 设.为 了 获 得 无 限 的 工 作 空 间，Papadopoulos和Dubowsky开发了同时控制基 座位置、 姿态， 以及机械臂关节角的控制方法[10] . 但 将整个空间机器人系统(包括基座及机械臂)作为一 个整体进行12自由度的多输入多输出控制是不现实 的. 因而， Oda提出了卫星姿态与机械臂关节进行协 调控制的方法[11] ，由机械臂控制系统和卫星姿态控 制系统共同分担控制任务. 马保离和霍伟也提出了 一种协调控制策略[12] ，根据机械臂末端运动轨迹规 划期望的载体运动轨迹，使机械臂总保持最佳臂型， 但该方法需要消耗控制燃料. 本 文 考 虑 更 加 实 际 的 情 况， 提 出 了 空 间 机 器 人 捕 获 运 动 目 标 的 协 调 规 划 与 控 制 方 法， 不要求目标一直处于空间机器人的可达工作 空 间RWS(Reachable Workspace)内， 只 要 其 轨 迹 与RWS相 交(GWS⊂ RWS)，空 间 机 器 人 就 能 以‘ ‘基座最优交会姿态’ ’及‘ ‘机械臂最佳捕获 臂型’ ’捕获运动目标.
ve = ω0 × ˆ b0 +
n
ωi × a ˆi + ˆ bi
(7)
i=1
ve ωe
= Jb
v0 ω0
˙ + Jm Θ
(1)
上式中， v g 为系统质心处的线速度， 对于初始线 v 动量为0的情况， g = 0. 另外，第i 各杆件的角速度 为：
i
其中， v 0 , ω 0 ∈ R3 分别为基座质心处的线速度 和角速度，Θ ∈ Rn 为关节角(n 为机械臂自由度 数)，Jb 为与基座运动相关的雅可比矩阵，而Jm 为 与机械臂运动相关的雅可比矩阵，具体公式参见文 献[15]. 对于自由漂浮模式(基座位置、姿态均不受 控)，系统的线动量和角动量守恒，运动学方程可表 示为 ve ˙ = Jg (Ψ0 , Θ, mi , Ii ) Θ (2) ωe 其中Jg 为空间机器人的广义雅可比矩阵[3] ，它 是基座姿态、 机械臂关节角， 以及各刚体质量、 惯量 的函数.
ωi = ω0 +
k=1
˙k kkθ
(8)
因而， 机械臂末端的线速度可化简为
n
v e = −p ˜geω 0 +
k=1
˙k [k k × (p e − p ˆk )]θ
(9)
其中，
p ge = p e − r g = ˆ b0 +
n
a ˆi + ˆ bi
(10)
i=1
最后得到简化后的运动学方程为
1.2 空间机器人运动学方程的简化
The Coordinated Planning and Control Method of Space Robot for Capturing Moving Target
XU Wen-Fu1 LI Cheng1 LIANG Bin
1
LIU Yu1
QIANG Wen-yi
1
Abstract Aiming at the case that the target may move with arbitrary trajectory, and its trajectory may not cross the ‘ ‘Guaranteed Workspace’ ’(GSW), we propose a Coordinated Planning and Control (CP&C) method to generate the motions of the base attitude and manipulator joints for autonomous rendezvous with and capturing a moving target. Firstly, the target trajectory is predicted according to the measurements of the hand-eye camera, and the ‘ ‘Optimal Rendezvous Attitude’ ’of the base and the ‘ ‘Optimal Capturing Configuration’ ’of the manipulator are determined. Then, the trajectories of the base attitude and the joint angles are planned. Lastly, the coordinated controllers are designed to drive the base and the joints to follow the desired motions for capturing the moving target with the‘ ‘Optimal Rendezvous Attitude’ ’and the‘ ‘Optimal Capturing Configuration’ ’. Simulation results verify the proposed method. Key words Space robot, path planning, coordinated control, target capturing, on-orbit servicing
当 空 间 机 器 人 不 受 外 力 时(如 姿 态 受 控 模 式， 仅姿态受飞轮控制的情况；自由漂浮模式，即基 座 姿 态 及 位 置 均 不 受 控)，整 个 系 统 的 线 动 量 守 恒，利用此完整约束，可消去三个独立变量，基于 此，Vafa和Dubowsky提出了虚拟机械臂的建模方 法[16] . 首先，系统质心与每个杆件质心之间的关系 如下：
2 运动目标自主交会与捕获的协调规划与控 制问题
2.1 空间机器人系统的工作空间分析
由 于 机 械 臂 与 其 基 座 之 间 存 在 动 力 学 耦 合， 使 得 空 间 机 器 人 工 作 空 间 的 分 析 变 得 更 加 复 杂. Vafa等人将空间机器人的工作空间分为固定基座 工作空间(Fixed Vehicle Workspace)、航天器姿态 受限工作空间(Vehicle Attitude Constrained workspace)以 及 自 由 工 作 空 间(Free Workspace) [16] . Umetani和Yoshida继承了该思想，但将工作空间进 行了更细的划分， 定义了五种类型的工作空间： 固定 基座工作空间(Fixed Vehicle Workspace)、航天器 姿态受限工作空间(Vehicle Attitude Constrained Workspace)、可达工作空间(Reachable Space)、直