[发明专利]航天器机械臂柔性随动控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机械臂的控制技术领域，具体来说，本发明涉及一种利用外力例如人手施加在机械臂末端的力控制机械臂末端随人手进行位姿调整的方法。

背景技术

航天器研制具有单件小批量的特点，目前的装配作业大量依赖人工操作，并辅以吊具、升降车、架梯等简易工具进行不同航天器的装配工作。这种装配方式存在一定的局限性：对于大纵深零部件的安装，由于操作人员臂展的限制，难以完成安装工作；对于大质量的零部件，人工长时间托举，容易造成疲劳，影响操作的安全性；对于操作空间狭小的情况，人工托举难以在狭小的空间对被安装件进行位姿调整，且易与周围物体发生磕碰；对于安装精度要求较高的零部件，人工安装难以控制安装精度，调整时间长。

机械臂具有载重量大、定位精度高、响应速度快等特点，应用于航天器装配可以实现大尺寸、大重量零部件的位姿保持与调整，无需人力进行托举；与人工调整相比，机械臂具有较高的运动定位精度，可以对被安装件进行高精度的位姿调整，将被安装件快速调整到位，缩短安装时间；对于狭小空间的装配操作，可以通过机械臂的运动控制避免被安装件与周围物体磕碰，保证操作的安全。因此，采用机械臂对航天器进行装配，可以提高航天器总装的装配质量、装配效率和安全性。

目前机械臂在工业应用中所采用的控制方式主要有以下几种：

1)预先通过编程或示教确定机械臂的运动路径，机械臂在生产操作中不断重复完成相同的动作，如汽车生产线中的机械臂。这种控制方式适用于批量较大产品的生产或搬运，不适用于航天器这样单件小批量产品的生产；

2)通过视觉引导机械臂的运动，即采用图像传感器采集机械臂周围环境的图像，系统自动对图像中的目标进行识别定位，据此控制机械臂的运动，这种控制方式通常被应用在自动化焊接系统中；

3)通过示教器、操纵杆等控制终端手动控制机械臂的运动，这种方式通常被用于机械臂自身的调试，或远程控制机械臂来完成相关操作。

但是，这些现有的控制方式都无法做到随动控制，不够真实地反映装配需求并进行实时的控制。

发明内容

本发明从航天器装配的需求出发，提出一种航天器机械臂柔性随动控制方法，采用这种方法，可以直接用人手作用于安装在机械臂末端的负载，系统根据人手的施力情况，采用一定的控制算法控制机械臂产生动作，使其末端随人手运动，采用这种方法产生的理想效果是机械臂末端负载按照操作者的意图跟随人手运动，近似相当于人对悬浮在空中的物体进行操作，这样人可以按照日常形成的操作物体的习惯，对机械臂末端负载直观地进行位姿调整。这种方法将机械臂稳定可靠、精度高的特点，与人观察、操作的灵活性相结合，适用于航天器复杂多变的装配工况。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

航天器机械臂柔性随动控制方法，包括如下步骤：

1)在机械臂末端法兰与负载之间或者在负载附近便于操作的位置设置六维力传感器，六维力传感器与机械臂的控制系统进行电连接；

2)六维力传感器感测作用在其上的力与力矩信息并传送给控制系统，在机械臂末端法兰与夹具之间设置六维力传感器的情况下，控制系统利用航天器机械臂柔性随动控制重力补偿方法，得到外力作用产生的力与力矩在六维力传感器自身坐标系下的分量；在负载附近位置设置六维力传感器，六维力传感器不承受负载重力的情况下，控制系统不需要重力补偿即可得到外力作用产生的力与力矩在六维力传感器自身坐标系下的分量；

3)控制系统通过坐标转换计算，将步骤2)得到的外力在六维力传感器自身坐标系下的力与力矩信息转换，得到外力作用产生的力与力矩在机械臂基坐标系下的作用分量；

4)根据步骤3)得到的机械臂基坐标系下外力作用产生的力与力矩信息，控制机械臂运动，使负载产生移动或转动，其中移动的方向与外力作用的力的方向相同，移动的加速度、速度、距离等根据外力作用的力的大小进行综合控制，转动方向与外力作用的力矩的方向相同，转动的角加速度、角速度、角度根据外力作用的力矩的大小进行综合控制，最终达到柔性随动的效果。

上述技术方案中，所述机械臂是串联式的机器人，通常具有6个自由度，可直接采用成熟的工业机器人。

上述技术方案中，所述六维力传感器每次测量得到的数据有六个分量，包括在六维力传感器自身坐标系中的三个坐标轴方向的力分量，以及三个坐标轴方向的力矩分量。

上述技术方案中，所述负载是指安装在机械臂末端的主要载荷，包括被操作工件、用于夹持被操作工件的夹具等。