柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制研究

王春蕾

(河源理工学校，广东 河源 517000)

柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制研究

王春蕾

(河源理工学校，广东 河源 517000)

介绍了柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接阻抗的几种方式，即：力控制、位置控制、力位混合控制、顺应控制以及阻抗控制，在此基础上，具体阐述了柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制及所产生的价值，期望能够为空间舱升级优化工作提供一定的参考与指导。

柔性机械臂；大负载空间舱段；对接；阻抗控制

1 控制方式

（1）力控制。柔性机械臂辅助大负载空间舱段进行力控制，能够完成系统性更加复杂的任务，如：插拔件的使用、空间模块的更换、相关设备的装配等。在关节安装力传感器或者安装机械臂末端的时候，进行力控制，可以在未知环境下，使得机械臂与环境相适应，且避免了强硬的碰撞或者干涉事件的发生，实现柔顺控制，这样能够有效的体现出机械臂的智能化特点。但是，进行力控制，使得机械臂在一定程度上可以放缓或者放宽指标的精度，从而导致整个机械臂的质量、加工制造等精度比较欠缺，使得机械臂的末端绝对位置难以控制。

（2）位置控制。柔性机械臂辅助大负载空间舱段位置控制，主要负责控制机械臂末端的位置以及相应的姿态，最终实现机械臂从一个现有的位置中转换到目标位置，或者对这个连续的转换路径进行控制，是大负载空间舱段最基础性的控制模式，但是，由于位置控制只局限于位置移动、机械臂转移舱段，对于装配、对接等复杂性比较强的任务来说，难以控制。

（3）力位混合控制。给予上述的力控制、位置控制各自的优势和劣势，进行力位混合控制，即机械臂在执行任务时，会发现部分自由度只能进行位置约束，部分自由度只能进行力约束，在这样的状态下，只能在位置约束的基础上进行位置控制，力约束的基础上进行力控制。举个例子，机械臂空载在移动状态下，机械臂末端不受任何力的约束，其关节部位只有位置约束，因此，需要进行位置控制，或者机械臂携带舱在进行对接任务时，这个过程或发生一定程度的接触碰撞，产生力，具有较强的力约束，从而需要进行力控制。笔者这里提到的位置控制与力控制之间的转换，往往建立在一种特定的工作模式基础上。

（4）顺应控制。所谓的顺应控制是指：机械臂对外界环境变化的适应能力，在顺应控制模式下，机械臂与外界环境之间的接触，即使外界环境发生一定程度的变化，只要加以顺应控制，机械臂末端仍然能够保持预定的预紧力。顺应控制实质上是一种力位混合控制，能够被划分为主动柔顺和被动柔顺。

（5）阻抗控制。阻抗控制实质上是对机械系统刚度的推广，而且在某种或者特定方向上的机械阻抗往往是这个方向上的动态力增量/动态位移增量的比值，阻抗控制属于控制系统中的虚拟刚度范畴。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间的动力学关系。阻抗控制能够根据关节变量或者机械臂末端的位置变化，通过分析、判断期望的关节刚度（或者系统刚度）、阻尼等指标，客观的计算出关节力矩，从而获取期望力或者期望位置的合理控制。

2 具体分析

柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接主要是：利用安装在被动舱上的空间机械臂将主动舱抓住，进行相应的运动，使得主动舱的对接口与被动舱的对接口相连接，为其运行提供动力，并且有效的克服对接机构在捕获过程中所产生的阻力，实现主动舱和被动舱的安全对接。并且大负载空间舱段对接全面的加强柔性机械臂辅助控制，消除大负载惯性力对测量产生的负面影响，增强空间柔性机械臂的刚度。

在上述的控制方式的基础上，柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制，能够促使实验舱富有大负载、关节柔性、臂杆柔性等特点，而且在操作过程中，对整体任务的惯性力、离心力造成严重的影响，因此，采用力控制、位置控制、力位混合控制、顺应控制以及阻抗控制等方式，推导空间机械臂的关节输入力矩，在此基础上，构建空间机械臂阻抗控制程序（基于动力学），最终获取最佳的阻抗控制手段，实现复杂任务的对接。经探究，发现：柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制，可克服外力干扰，实现期望位置、期望力的科学归位，并且不需要额外添加力传感器，便可以彻底的消除大负载惯性力对测量所产生的负面影响，从而全面的提升空间舱的运行安全性。

综合上述的分析，可知：柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制与外界环境变化之间具有一定的联系，而且在环境变化或者自由轨迹驱动变化的情况下，需要针对实际情况，采用不同的阻抗控制方式（力控制、位置控制、力位混合控制、顺应控制以及阻抗控制），熟练掌握切换控制策略。在对接位置的质量检测及识别任务中，及时切换位置控制与阻抗控制，对整个任务完成的客观性、完整度等具有重要作用，只有保证及时的转换，才可能避免碰撞力的产生，全面提升工作效率及质量。另外，柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制实现了大负载惯性力对测量产生的负面影响消除，能够客观获取期望的关节刚度与实际刚度之间的差别，根据差别，及时调整相应的操作方案，尽可能降低失误，从而全面提升空间舱的运行安全性、有效性，创造出更多的社会价值。

总的来说，柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制是对空间舱运行性能的检测与升级，能够有效提升空间舱运行的有效性及安全性，具有较强的应用探讨价值。

3 结语

总而言之，力控制、位置控制、力位混合控制、顺应控制以及阻抗控制是柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接阻抗的几种主要方式，实现柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制，需要针对实际情况，科学的选取控制方式，熟练的掌握各种对接控制方式的转换策略，及时的消除各种各样的负面营销，才能提升空间舱的运行安全性。

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，广东龙川人，大学本科，主要研究方向：教育。