[发明专利]航天器机械臂柔性随动控制重力补偿方法

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，本发明涉及一种机械臂柔性随动控制中补偿负载重力的方法。

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，对于大尺寸、大重量零部件人工安装困难，对于狭小空间内零部件的安装人工难以操作，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。

为解决航天器复杂工况的装配难题，提高装配质量、装配效率和安全性，希望引入机械臂，采用柔性随动控制方法对航天器进行装配。所述的机械臂柔性随动控制方法为：人手直接作用于安装在机械臂末端的负载，在机械臂末端法兰与负载之间安装有六维力传感器，用于感知作用其上的力与力矩信息，控制系统进一步获得人手作用的力与力矩信息，以此作为输入通过一定的控制算法控制机械臂运动，使负载跟随人手运动。

在上述机械臂柔性随动控制方法中，六维力传感器安装在机械臂末端法兰与负载之间，其感知到的力与力矩信息是负载重力与人手施力的综合作用结果，需要进行重力补偿，即将负载重力的作用分量从六维力传感器得到的力与力矩参数中减去，进而获得人手作用产生的力与力矩信息，作为输入参数用于控制机械臂的运动。

机械臂在运动过程中，如果其末端姿态发生变化，则六维力传感器与负载的空间姿态也随之变化，从六维力传感器得到的力与力矩参数中负载重力的作用分量也发生了变化，要在机械臂末端姿态不断变化的情况下实现柔性随动控制，需要在机械臂运动过程中，实时获得负载在当前姿态下的重力作用分量，并进行重力补偿。

本发明即根据机械臂柔性随动控制的需要，提出了一种航天器机械臂柔性随动控制重力补偿方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天器机械臂柔性随动控制重力补偿方法，能够在机械臂运动过程中，实时得到负载在当前姿态下六维力传感器各分量的重力补偿值，通过重力补偿实时获得人手或其他外力作用产生的力与力矩信息，实现机械臂的柔性随动控制。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种航天器机械臂柔性随动控制重力补偿方法，其中柔性随动控制中将六维力传感器设置在机械臂末端与负载之间，该方法包括如下步骤：

1）控制机械臂使负载处于多个不同的空间姿态，在负载无外力作用的情况下，记录每个空间姿态下六维力传感器的测量数据；

2）根据力与力矩的物理关系，由步骤1）的测量数据计算得到负载的重力大小G及负载重心在六维力传感器自身坐标系中的坐标（x，y，z）；

3）在负载有外力作用的情况下，实时根据重力在六维力传感器的自身坐标系中的方向，将重力在六维力传感器的自身坐标系的三个坐标轴上投影得到三个重力分量Gx、Gy、Gz，分别作为六维力传感器的自身坐标系中X、Y、Z轴力分量的重力补偿值；

4）由公式MGx=Gz×y－Gy×z，MGy=Gx×z－Gz×x，MGz=Gy×x－Gx×y，计算得到六维力传感器自身坐标系中X、Y、Z轴上由重力引起的三个力矩分量MGx、MGy、MGz，分别作为六维力传感器自身坐标系中X、Y、Z轴上力矩分量的补偿值；

5）在负载有外力作用的情况下，六维力传感器测得的三个力分量为Fx、Fy、Fz，三个力矩分量为Mx、My、Mz，补偿得到外力在六维力传感器自身坐标系中的作用力为（Fx－Gx，Fy－Gy，Fz－Gz），作用力矩为（Mx－MGx，My－MGy，Mz－MGz），重力补偿完成。

上述技术方案步骤1）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。所述六维力传感器自身坐标系是与六维力传感器自身固连的空间直角坐标系。

上述技术方案步骤1）中，所述负载无外力作用指的是负载连接在六维力传感器上，仅受自身重力及与六维力传感器的连接支持力，不受其它外部作用力。

上述技术方案步骤2）中，假设步骤1）对N个不同的负载姿态测量得到N组六维力传感器数据，第i组的3个力分量为Fxi、Fyi、Fzi，3个力矩分量为Mxi、Myi、Mzi，在负载无外力作用的情况下，测得的力与力矩分量都由负载重力引起，则负载重力大小为：G=(Fxi²+Fyi²+Fzi²)^1/2。设负载重心在六维力传感器坐标系中的坐标为（x，y，z），在该坐标系下根据力与力矩的关系有：