[发明专利]一种空间机械臂与未知环境接触过程的智能柔顺操控方法

权利要求书

1.一种空间机械臂与未知环境接触过程的智能柔顺操控方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据凯恩方程与多体动力学理论，建立空间机械臂系统的通用动力学模型，并对环境接触模型进行数学表征；

第二步，忽略环境位置信息，将环境接触模型简化为一般的最优跟踪模型，设计最优性能函数与基于状态反馈及模型信息的积分强化学习算法；

第三步，设计状态重构观测器，与积分强化学习算法结合，利用输入输出数据实现系统的无模型最优阻抗控制；

第四步，根据简化前的数学模型，将第三步中提出的积分强化学习算法进行修正，将该算法应用于空间机械臂的智能柔顺操控。

2.根据权利要求1所述的空间机械臂与未知环境接触过程的智能柔顺操控方法，其特征在于：所述第一步具体实现如下：

利用凯恩方程进行多体动力学建模的一般形式可以写为：

其中和分别表示系统第k阶广义主动力和广义惯性力，n是系统所有广义速率写成分量列阵形式，分量列阵的个数，选取空间机械臂系统的广义速率为：

其中，和分别表示基座的速度和角速度在基座本体坐标系中的分量，表示第i个机械臂关节的角速度。通过凯恩方程进行规范化推导，可以得到空间机械臂系统的动力学模型为：

其中为υ的导数，Η为系统全局质量阵，F_non为系统全局非线性项，F^A表示广义主动力为：

其中F₀是基座受到的推力在基座本体坐标系中的分量列阵，r_b是F₀作用点在基座本体坐标系中的矢径，T₀是基座受到的力矩在基座本体坐标系中的分量列阵，T_i是第i个电机转子的驱动力矩，0矩阵具有其对应的广义速率相容的维数；下标“i-1”和“2m-i”分别表示有i-1和2m-i个0矩阵，上标“T”表示矩阵的转置；对于任意三维列向量χ＝[χ₁ χ₂ χ₃]^T，上标“～”的定义为其中标量χ₁、χ₂、χ₃为向量χ中的元素；

对于目标位置固定的抓捕任务中，空间机械臂末端与环境的接触力F_e的数学模型可表征为：

式中，G_e表示环境模型的刚度系数，C_e为阻尼系数，M_e为质量系数，x表示机械臂末端位置在惯性系中的分量，分别表示x的一阶导数和二阶导数，x_e表示目标位置在惯性系中的分量；

阻抗控制模型的表达式为：

式中，M_d、C_d、G_d分别表示阻抗模型的期望惯量、阻尼、刚度参数，x_d表示机械臂末端的期望位置；

将环境模型与阻抗模型相加，得到：

其中，f＝G_d(x-x_d)为控制输入；

取状态变量控制输入取u＝f，则可以得到阻抗控制模型的线性状态方程形式：

其中表示X的导数，r_e＝x_e表示环境位置输入，

C＝[0 Ι]。