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上海交通大学高峰教授团队:空间操作地面模拟系统的主动顺应控制方法|CJME论文推荐

上海交通大学高峰教授团队:空间操作地面模拟系统的主动顺应控制方法|CJME论文推荐 广州市新欧机械有限公司
2023-08-25
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导读:引用论文He, J., Shen, M., Gao, F. et al. Active Compliance

引用论文


He, J., Shen, M., Gao, F. et al. Active Compliance Control of a Position-Controlled Industrial Robot for Simulating Space Operations. Chin. J. Mech. Eng. 35, 149 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00821-1

https://cjme.springeropen.com/articles/10.1186/s10033-022-00821-1‍
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研究背景

空间机器人精细操控必须要进行地面实验验证,末端安装六维力传感器的工业机器人可被用于快速搭建空间精细操控的地面半物理仿真实验平台。然而,该系统存在动力学响应滞后和测量滞后,会导致仿真实验出现发散现象而无法持续。由于半物理仿真过程中理论的碰撞力并不知晓,无法反馈末端力或位置的误差,传统导纳控制方法、力/位混合控制方法均不适用。因此,有必要提出一种新的力控方法。


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试验方法

(1)制作一对碰撞框和碰撞棒,分别安装于目标星模型和空间机械臂末端,用于模拟空间精细操控过程中的接触碰撞;碰撞框的四边的内部加工成刀刃形状,当圆柱棒与之接触时,可视为点接触。

(2)控制服务星模拟器(即工业机器人)带动空间机械臂及碰撞棒以一定的初速度与碰撞框发生碰撞;

(3)通过安装在碰撞框根部的六维力传感器测量碰撞力,计算补偿力并将其代入太空碰撞动力学模型,计算卫星的运动轨迹;

(4)通过坐标变换,将卫星的运动轨迹映射为工业机器人末端的运动,通过反解模型得到各关节的输入量,并发送至各关节的驱动器,从而实现对卫星运动的模拟;

(5)当碰撞发生之后,碰撞棒的速度会逐渐减小至0,进而被反弹,直至与对面的碰撞框内边再次碰撞,如此往复。

(6)实验1:碰撞棒不与碰撞框真正碰撞,而是通过程序中碰撞模型产生碰撞力,代入模型计算;该实验的目的是虚拟碰撞模型的刚度和阻尼是给定的值,不会发生变化,该实验可有效验证本文所提出的接触参数辨识方法;

(7)实验2:碰撞棒与碰撞框真实碰撞而产生碰撞力,代入模型计算;分别进行含有本文所提出控制方法的实验,以及不含本文控制方法的实验,用于验证仿真发散现象是否能被抑制住。


Figure 1  Prototype of the HIL simulation system


Figure 2  Coordinate systems


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结果

(1)虚拟碰撞实验结果表明:接触刚度和阻尼可以被较为准确地辨识,尤其刚度辨识误差很小,平均刚度的偏差小于0.4%,很好地验证了接触刚度和阻尼辨识方法的有效性。多次碰撞过程中,碰撞速度和碰撞力也与理论值非常接近。首次碰撞过程中,补偿后的碰撞力存在一定的超调现象,但随着碰撞次数增多,碰撞力变化趋于理论值,符合因阻尼耗散而出现的收敛趋势。

(2)真实碰撞实验结果表明:针对同一直径的碰撞棒,接触刚度和阻尼在不同碰撞频率(实验频率包括:2.62 Hz, 2.17 Hz, 1.92 Hz)下均可以有效被辨识出来,刚度误差均在一个相对较小的范围内;随着碰撞棒直径的增大,所辨识的刚度也呈现增大趋势,符合理论刚度值的变化规律;碰撞力和碰撞速度结果则明显看出,所提出的控制方法对仿真发散现象有很好地抑制作用,碰撞速度和碰撞力在前几次碰撞中均能维持在初始速度附近,但同时又因阻尼耗散而出现收敛,而碰撞能量变化曲线则更清楚地显示了所提力控方法有效阻止了因时滞而产生的发散现象。

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结论

本文所提出的主动顺应控制方法可有效阻止因工业机器人时延而造成的仿真发散现象,在半物理仿真平台上高保真度地实现了空间机器人精细操控的动力学过程。与导纳控制、力位混合控制等传统力控方法相比,主动顺应控制方法最大的特点在于实时辨识未知环境的接触参数,从而实现控制系统稳定,使其有望应用于其他未知环境下机器人的约束任务控制。


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前景与应用

基于本文所提出的控制方法,该空间精细操控半物理仿真实验平台,可用于模拟航天器交会、非合作目标捕获、以及剪线、加注燃料、拧螺丝等多种空间维修任务的地面仿真模拟,可以为航天器视觉测量、导航、制导与控制技术的研发,以及空间精细操作机构设计与控制等提供重要技术支撑,是一个共性技术的仿真测试平台,具有重要的科学意义和应用前景。


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[1] F Gao, C K Qi, A Y Ren, et al. Hardware-in-the-loop simulation for the contact dynamic process of flying objects in space. Science China - Technology Science, 2016, 59: 1167-1175.

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[4] F Ferraguti, C T Landi, L Sabattini, et al. Avariable admittance control strategy for stable physical human–robot interaction. The International Journal of Robotics Research, 2019, 38(6): 747-765.

[5] D Erichson, M Weber, I Sharf. Contact stiffness and damping estimation for robotic systems. International Journal of Robotics Research, 2003, 22: 41-57.



团队带头人介绍


高峰,男,1956 年生,上海交通大学教授、博士生导师;曾任河北工业大学校长、上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室主任;2001年获国家杰出青年科学基金,2013年任首席科学家主持国家973计划;担任Chinese Journal of Mechanical Engineering编委会副主任,美国 ASME Mechanism & Robotics Committee委员、国际著名杂志 ASME Transactions Journal of Mechanism and Robotics 和 Journal of Mechanical Design、IFToMM Mechanism and Machine Theory 的 Associated Editor;主要研究方向是并联机器人设计理论及其应用技术;出版中英文专著3部;发表 SCI 论文 192篇,SCI他引1642次;获国家自然科学二等奖1项(排第一),省部级自然科学、科技发明和科技进步一等奖5项,ASME达芬奇设计与发明奖、何梁何利科学与技术进步奖,获国家发明专利授权79项。


作者介绍



何俊(本文第一作者),上海交通大学机械与动力工程学院教授、博导,主要从事宇航空间机构与机器人研究。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划课题,及装备预研航天基金等国防项目20余项,发表论文30余篇,授权发明专利7项,曾获上海市技术发明一等奖。


作者或团队研究方向

以并联机器人机构的设计与控制为特色,近年典型应用领域包括空间精细操作的地面模拟技术与装备、深空探测机器人和足式机器人。



近年课题组发表文章

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[2] Xu Wang, Weizhong Guo. Chasles’ Motion Sphere-A Useful Tool to Visually Express the Motion Characteristics Over the Workspace of Robotic Mechanisms. ASME Journal of Mechanisms and Robotics, 2020, 12(4): 041008-1-14
[3] Zhao, D., and Guo, W.. Shape and Performance Controlled Advanced Design for Additive Manufacturing: A Review of Slicing and Path Planning. ASME. J. Manuf. Sci. Eng. 2020; 142(1): 010801-1-23
[4] Jie Li, Jun He, Yan Xing, and Feng Gao. Simultaneous Control of Terrain Adaptation and Wheel Speed Allocation for a Planetary Rover With an Active Suspension System, IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION LETTERS, VOL. 6, NO. 4, OCTOBER 2021.
[5] Jun He, Yanlong Sun, Limin Yang, et al. Design and Control of TAWL—A Wheel-Legged Rover With Terrain-Adaptive Wheel Speed Allocation Capability, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2022, 27(4): 2212-2223. 



作      者:何   俊
责任编辑:谢雅洁
责任校对:向映姣
审      核:张   强


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