王春蕾

(河源理工學(xué)校，廣東 河源 517000)

柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接的阻抗控制研究

王春蕾

(河源理工學(xué)校，廣東 河源 517000)

介紹了柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接阻抗的幾種方式，即：力控制、位置控制、力位混合控制、順應(yīng)控制以及阻抗控制，在此基礎(chǔ)上，具體闡述了柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接的阻抗控制及所產(chǎn)生的價(jià)值，期望能夠?yàn)榭臻g艙升級(jí)優(yōu)化工作提供一定的參考與指導(dǎo)。

柔性機(jī)械臂；大負(fù)載空間艙段；對(duì)接；阻抗控制

1 控制方式

（1）力控制。柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段進(jìn)行力控制，能夠完成系統(tǒng)性更加復(fù)雜的任務(wù)，如：插拔件的使用、空間模塊的更換、相關(guān)設(shè)備的裝配等。在關(guān)節(jié)安裝力傳感器或者安裝機(jī)械臂末端的時(shí)候，進(jìn)行力控制，可以在未知環(huán)境下，使得機(jī)械臂與環(huán)境相適應(yīng)，且避免了強(qiáng)硬的碰撞或者干涉事件的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)柔順控制，這樣能夠有效的體現(xiàn)出機(jī)械臂的智能化特點(diǎn)。但是，進(jìn)行力控制，使得機(jī)械臂在一定程度上可以放緩或者放寬指標(biāo)的精度，從而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械臂的質(zhì)量、加工制造等精度比較欠缺，使得機(jī)械臂的末端絕對(duì)位置難以控制。

（2）位置控制。柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段位置控制，主要負(fù)責(zé)控制機(jī)械臂末端的位置以及相應(yīng)的姿態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂從一個(gè)現(xiàn)有的位置中轉(zhuǎn)換到目標(biāo)位置，或者對(duì)這個(gè)連續(xù)的轉(zhuǎn)換路徑進(jìn)行控制，是大負(fù)載空間艙段最基礎(chǔ)性的控制模式，但是，由于位置控制只局限于位置移動(dòng)、機(jī)械臂轉(zhuǎn)移艙段，對(duì)于裝配、對(duì)接等復(fù)雜性比較強(qiáng)的任務(wù)來(lái)說(shuō)，難以控制。

（3）力位混合控制。給予上述的力控制、位置控制各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，進(jìn)行力位混合控制，即機(jī)械臂在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)部分自由度只能進(jìn)行位置約束，部分自由度只能進(jìn)行力約束，在這樣的狀態(tài)下，只能在位置約束的基礎(chǔ)上進(jìn)行位置控制，力約束的基礎(chǔ)上進(jìn)行力控制。舉個(gè)例子，機(jī)械臂空載在移動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)械臂末端不受任何力的約束，其關(guān)節(jié)部位只有位置約束，因此，需要進(jìn)行位置控制，或者機(jī)械臂攜帶艙在進(jìn)行對(duì)接任務(wù)時(shí)，這個(gè)過(guò)程或發(fā)生一定程度的接觸碰撞，產(chǎn)生力，具有較強(qiáng)的力約束，從而需要進(jìn)行力控制。筆者這里提到的位置控制與力控制之間的轉(zhuǎn)換，往往建立在一種特定的工作模式基礎(chǔ)上。

（4）順應(yīng)控制。所謂的順應(yīng)控制是指：機(jī)械臂對(duì)外界環(huán)境變化的適應(yīng)能力，在順應(yīng)控制模式下，機(jī)械臂與外界環(huán)境之間的接觸，即使外界環(huán)境發(fā)生一定程度的變化，只要加以順應(yīng)控制，機(jī)械臂末端仍然能夠保持預(yù)定的預(yù)緊力。順應(yīng)控制實(shí)質(zhì)上是一種力位混合控制，能夠被劃分為主動(dòng)柔順和被動(dòng)柔順。

（5）阻抗控制。阻抗控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)剛度的推廣，而且在某種或者特定方向上的機(jī)械阻抗往往是這個(gè)方向上的動(dòng)態(tài)力增量/動(dòng)態(tài)位移增量的比值，阻抗控制屬于控制系統(tǒng)中的虛擬剛度范疇。另外，阻抗控制不是直接控制力或者直接位置，而是控制力和位置之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。阻抗控制能夠根據(jù)關(guān)節(jié)變量或者機(jī)械臂末端的位置變化，通過(guò)分析、判斷期望的關(guān)節(jié)剛度（或者系統(tǒng)剛度）、阻尼等指標(biāo)，客觀的計(jì)算出關(guān)節(jié)力矩，從而獲取期望力或者期望位置的合理控制。

2 具體分析

柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接主要是：利用安裝在被動(dòng)艙上的空間機(jī)械臂將主動(dòng)艙抓住，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，使得主動(dòng)艙的對(duì)接口與被動(dòng)艙的對(duì)接口相連接，為其運(yùn)行提供動(dòng)力，并且有效的克服對(duì)接機(jī)構(gòu)在捕獲過(guò)程中所產(chǎn)生的阻力，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)艙和被動(dòng)艙的安全對(duì)接。并且大負(fù)載空間艙段對(duì)接全面的加強(qiáng)柔性機(jī)械臂輔助控制，消除大負(fù)載慣性力對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的負(fù)面影響，增強(qiáng)空間柔性機(jī)械臂的剛度。

在上述的控制方式的基礎(chǔ)上，柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接的阻抗控制，能夠促使實(shí)驗(yàn)艙富有大負(fù)載、關(guān)節(jié)柔性、臂桿柔性等特點(diǎn)，而且在操作過(guò)程中，對(duì)整體任務(wù)的慣性力、離心力造成嚴(yán)重的影響，因此，采用力控制、位置控制、力位混合控制、順應(yīng)控制以及阻抗控制等方式，推導(dǎo)空間機(jī)械臂的關(guān)節(jié)輸入力矩，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建空間機(jī)械臂阻抗控制程序（基于動(dòng)力學(xué)），最終獲取最佳的阻抗控制手段，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的對(duì)接。經(jīng)探究，發(fā)現(xiàn)：柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接的阻抗控制，可克服外力干擾，實(shí)現(xiàn)期望位置、期望力的科學(xué)歸位，并且不需要額外添加力傳感器，便可以徹底的消除大負(fù)載慣性力對(duì)測(cè)量所產(chǎn)生的負(fù)面影響，從而全面的提升空間艙的運(yùn)行安全性。

綜合上述的分析，可知：柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接的阻抗控制與外界環(huán)境變化之間具有一定的聯(lián)系，而且在環(huán)境變化或者自由軌跡驅(qū)動(dòng)變化的情況下，需要針對(duì)實(shí)際情況，采用不同的阻抗控制方式（力控制、位置控制、力位混合控制、順應(yīng)控制以及阻抗控制），熟練掌握切換控制策略。在對(duì)接位置的質(zhì)量檢測(cè)及識(shí)別任務(wù)中，及時(shí)切換位置控制與阻抗控制，對(duì)整個(gè)任務(wù)完成的客觀性、完整度等具有重要作用，只有保證及時(shí)的轉(zhuǎn)換，才可能避免碰撞力的產(chǎn)生，全面提升工作效率及質(zhì)量。另外，柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接的阻抗控制實(shí)現(xiàn)了大負(fù)載慣性力對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的負(fù)面影響消除，能夠客觀獲取期望的關(guān)節(jié)剛度與實(shí)際剛度之間的差別，根據(jù)差別，及時(shí)調(diào)整相應(yīng)的操作方案，盡可能降低失誤，從而全面提升空間艙的運(yùn)行安全性、有效性，創(chuàng)造出更多的社會(huì)價(jià)值。

總的來(lái)說(shuō)，柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接的阻抗控制是對(duì)空間艙運(yùn)行性能的檢測(cè)與升級(jí)，能夠有效提升空間艙運(yùn)行的有效性及安全性，具有較強(qiáng)的應(yīng)用探討價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，力控制、位置控制、力位混合控制、順應(yīng)控制以及阻抗控制是柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接阻抗的幾種主要方式，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂輔助大負(fù)載空間艙段對(duì)接的阻抗控制，需要針對(duì)實(shí)際情況，科學(xué)的選取控制方式，熟練的掌握各種對(duì)接控制方式的轉(zhuǎn)換策略，及時(shí)的消除各種各樣的負(fù)面營(yíng)銷，才能提升空間艙的運(yùn)行安全性。

Research on Im pedance Control of Flexible mechanical arm Auxiliary to big load Com partment Space Docking

WANG Chun-lei
（Heyuan Polytechnic School，Heyuan，Guangdong 517000，China）

The article simply introduces severalways of impedance control of the flexiblemechanicalarm auxiliary to big load compartment space docking，namely，the force control，position control and hybrid force control，compliance control and impedance control.It also elaborates the impedance control of the flexiblemechanical arm auxiliary to big load compartment space docking and itsvalue，expecting to provide certain reference for the optimizationwork of the space cabin upgrade.

flexiblemechanicalarm；the big load compartmentspace；docking；impedance control

V52

A

2095-980X(2016)08-0047-02

2016-07-03

王春蕾（1982-），女，廣東龍川人，大學(xué)本科，主要研究方向：教育。