[发明专利]一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法

说明书

本发明提供了一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，首先设定双臂空间机器人系统的三个任务，并且设定优先级顺序；随后构建双臂空间机器人的运动学模型，依据模型构建双臂空间机器人逆运动学方程并根据任务1和任务2求得逆解；构建避障算法并设计零空间自适应投影算子系数实现任务3，最后构建闭环运动学控制器，实现机械臂末端相对运动以及主机械臂位置跟踪误差收敛。本发明考虑基座与机械臂之间的耦合，并设计了基于混合任务优先级的控制器，可以使得双臂空间机器人可以同时执行多个冲突任务而且可以提高系统的控制性能，以保证在障碍环境下，双臂空间机器人能够实现主臂末端的轨迹跟踪和双臂末端的协调控制。

技术领域

本发明属于空间机器人控制领域，特别是一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法。

背景技术

随着太空探索的不断深入，空间机器人代替宇航员执行危险操作已经是必然趋势，各国都大力开展研究。相较于单臂空间机器人，双臂空间机器人的工作灵活性更高、可操作性更强，控制难度相应也更高。不同于固定基座的机器人，在微重力环境下自由漂浮空间机器人存在多重动力学耦合，机械臂的运动会对空间机器人漂浮基产生扰动，反之，基座的运动也会影响机械臂末端操作的稳定性和准确性。因此，双臂空间机器人协调一直是空间机器人研究难点之一。

除了末端控制要求，空间机器人在运动过程中会遇到碎片等太空垃圾，机械臂的运动范围受到限制，若运动过程中无法避开障碍物，将对机械臂造成损害。针对机械臂多任务要求，目前常用的控制方法为：扩展任务法和任务优先级法。然而，前者易导致系统奇异；后者易导致低级任务的失效。因此，规划好多个冲突任务的优先级，考虑基座与机械臂在运动过程中的耦合影响，设计好合理的控制方法是非常重要的。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，以保证在障碍环境下，双臂空间机器人能够实现主臂末端的轨迹跟踪和双臂末端的协调控制。

实现本发明的技术方案为：一种基于混合任务优先级的双臂空间机器人协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：设定双臂空间机器人系统的三个任务，并且设定优先级从高到低的顺序依次为：任务1：双臂末端的协调运动；任务2：主臂末端的轨迹跟踪以及任务3：避障；

步骤2：根据基座与机械臂的耦合作用，构建双臂空间机器人的运动学模型；

步骤3：构建双臂空间机器人逆运动学方程，根据主臂末端任务和双臂末端相对任务要求，求得双臂空间机器人运动学逆解；

步骤4：构建基于梯度投影法的避障算法；

步骤5：设计零空间自适应投影算子系数，保证任务之间的切换连续并且保证高优先级任务的执行顺序；

步骤6：构建闭环运动学控制器，实现机械臂末端相对运动以及主机械臂位置跟踪误差收敛。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)考虑基座与机械臂之间的耦合，利用改进的雅克比矩阵建立双臂空间机器人的运动学模型，从而获得机械臂末端的相对位置和姿态；

(2)采用了基于混合任务优先级的控制器，不仅可以使得双臂空间机器人可以同时执行多个冲突任务而且可以提高系统的控制性能；

(3)采用了双曲正切函数作为零空间投影算子的系数，使得低级任务可以实现连续切换；

(4)改进了基于自适应变阻尼因子的阻尼最小二乘法，用于求取雅克比矩阵的逆解，可以避免算法奇异。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的双臂空间机器人系统协调控制方法框图。