基于空間機械臂的柔順抓捕技術研究綜述

湯奇榮，黎 杰，張凌楷，趙慶巖，李 寧，鄒懷武

(1.同濟大學 機械與能源工程學院，機器人技術與多體系統實驗室，上海 201804；2. 上海宇航系統工程研究所，上海 201109)

0 引言

隨著空間探索的深入，空間機械臂愈發廣泛地應用于空間任務的各個方面：如空間站的建造與維護、衛星的釋放與回收、協助目標衛星交會對接以及協助科學試驗等。其中，空間機械臂對于在軌飛行器的精準抓捕通常是以上空間任務得以執行的前提。由于空間的微重力環境，目標物體運動狀態常因物體間的碰撞而發生較大突變，導致機械臂對目標物體實施精確抓捕變得極為困難，因此利用空間機械臂對目標物體進行柔順抓捕具有重大研究意義。空間機械臂系統進行目標柔順抓捕，其核心是在對目標飛行器進行穩定抓取的前提下，盡可能降低對基體航天器的影響。要實現對目標的抓捕需要經歷多個過程，包括目標檢測與運動軌跡規劃、軌跡跟蹤控制、碰撞及抓取目標，以及捕后穩定控制，如圖1所示[1]。

圖1 空間機械臂系統抓捕目標過程Fig.1 Process of target capturing by space manipulator system

柔順抓捕按操作機構分為網捕和空間機械臂抓捕2種方式。空間機械臂系統對目標的抓捕具有非破壞性，在空間任務中應用廣泛。利用空間機械臂抓捕目標，即通過空間機械臂將末端夾具輸送到可抓捕區域中，調整合適的末端執行器位姿實施對目標的抓捕，完成末端執行器和目標的充分接觸之后，對目標進行可靠抓夾。與此同時，也需對機械臂-末端執行器-目標新系統進行系統參數辨識，實現對新系統的穩定控制，從而達到對目標的穩定可靠抓取。本文主要探討當前空間機械臂抓捕機構的現狀，以及空間機械臂對目標實現柔順抓捕控制的方法。

1 主要的空間機械臂系統

著名的在軌服務空間機械臂系統有：航天飛機遙控機械手系統(SRMS)[2]、空間站遙控機械手系統(SSRMS)[2]、日本實驗艙遙操作機械臂系統(JRMEMS)[3]、歐洲機械臂系統(ERA)[4]，分別如圖2～5所示，其特點見表1。其中，加拿大研制的SRMS是第一個在軌環境中應用的自動操作器系統，一直應用在航天飛機上，可協助航天員進行艙外活動。而后期改進型的機械臂系統SSRMS，增加了固連鎖緊裝置且布置了電氣接口，在末端執行抓捕之后，控制中心可以通過機械臂末端與目標飛行器的電氣連接實現與目標飛行器通訊并實施控制操作。

圖2 航天飛機遙控機械手系統Fig.2 Shuttle remote manipulator system

圖3 空間站遙控機械手系統Fig.3 Space station remote manipulator system

圖4 日本實驗艙遙操作機械臂系統Fig.4 Japanese experiment module remote manipulator system

圖5 歐洲機械臂系統Fig.5 European robot arm system

表1 典型的空間機械臂系統

國際空間站日本實驗艙段搭載的JRMEMS，由主臂和小微臂組成，其中主臂末端搭載了類錐桿鋼絲索纏繞式捕獲機構，可以在軌抓捕空間飛行器，協助飛行器與國際空間站交會對接。小微臂基座端也設計了可與主臂末端對接的接口，以實現主臂和小微臂聯合工作。小微臂末端搭載了腕部力/力矩傳感器和手眼相機，使得小微臂可以執行更加精細和復雜的空間任務[5]。其控制方式同樣采用宇航員目視遙控的方式進行操作，由傳感器和相機調整和糾正姿態，控制成本較高，但運動控制精度有所提高。

歐洲太空局為國際空間站俄羅斯艙段設計建造的大型空間機械臂系統ERA，其采用對稱結構設計，末端搭載三邊鎖扣形式的末端執行器。由于其末端執行器機械結構設計為導入鎖扣形式，使得其容差特性較類錐桿抓捕機構差，當機械臂末端位置和速度控制精度較低時易造成抓捕失敗。

2 空間機械臂末端機構研究現狀

空間機械臂進行目標抓捕任務時，末端執行器的選擇對抓捕任務也起著關鍵的作用。目前研究人員設計的空間機械臂末端執行器機構形式主要有類錐桿式和指爪類兩類。

2.1 類錐桿式捕獲機構

SRMS，SSRMS和哈勃望遠鏡維修機器人系統[6]的末端執行器均采用鋼絲索纏繞的類錐桿捕獲機構進行空間目標物體的抓捕，此類機構具有較大的容差范圍和弱碰撞捕獲能力。其中國際空間站上的機械臂末端執行器與對接接口如圖6所示。圖7為類錐桿式末端執行器的抓捕過程，該機構采用三段鋼絲索纏繞目標錐桿的方式完成抓捕動作，在完成抓捕動作后，拖動目標，使之與固定剛性接口連接[7]。鋼絲索具有一般繩索的柔順特性，可以降低與目標物體的剛性碰撞，以達到軟捕獲的目的。

圖6 國際空間站機械臂末端執行器與對接接口Fig.6 End-effector and docking interfaceof space station manipulator

圖7 SRMS末端搭載鋼絲索纏繞捕獲機構抓捕過程Fig.7 Capture process of wire rope windingcapture mechanism of SRMS

歐洲太空局基于Smart-1衛星平臺所開發的靈巧軌道延壽飛行器(SMART-OLEV)對接機構為另一種類錐桿式末端捕獲機構。SMART-OLEV與目標飛行器對接如圖8所示[8]。其對接機構工作原理是將可膨脹的細桿插入目標飛行器的尾噴管的細錐形管中，再將可膨脹的細桿充分展開，進而實現與目標飛行器的連接，即可靠抓捕目標飛行器，如圖9所示。此種捕獲機構可實現對合作和非合作目標的抓取，但其捕獲控制復雜，對目標飛行器尾噴管的形狀要求較高。

圖8 SMART-OLEV與目標衛星對接Fig.8 SMART-OLEV docking with client satellite

圖9 SMART-OLEV對接機構工作原理圖Fig.9 Schematic diagram of SMART-OLEV docking structure

2.2 指爪類捕獲機構

圖10 ERA末端導入式三角鎖扣抓捕機構Fig.10 Import triangle lock arresting mechanism of ERA

ERA末端搭載導入式三角鎖扣抓捕機構，如圖10所示[9]。因該末端執行器較鋼絲索纏繞式抓捕機構的抓捕成功率低，故對該型機械臂末端進行改進，在其末端增加了一套類錐桿型鋼絲索纏繞捕獲機構，彌補了該型末端機構的部分缺陷。美國軌道快車項目，在最終實施階段采用了加拿大MDA公司為軌道快車項目設計的三指-三瓣式抓捕對接機構，即軌道快車抓捕系統，如圖11所示[10]。

圖11 軌道快車抓捕系統示意圖Fig.11 Orbital express capture system

在實際結構設計與改進中，在微重力實驗平臺上進行了充分的微重力實驗，驗證了該抓捕對接機構的可靠性[11]。該抓捕對接機構具有一定的抓捕容差特性，目標物體與末端機構3個方向上的角度偏差范圍為±5°，軸向平移偏差為±65 mm，徑向平移偏差為±70 mm[10，12]，可在一定容差范圍內實現特定目標物體的抓捕操作。但是由于三指爪型結構設計，使得抓捕目標物體必須具有特定的三瓣式結構，才可實現抓捕，不具備非合作目標的抓捕能力。而軌道快車抓捕系統，相較于國際空間站上在軌運行的幾款空間機械臂末端執行器，其容差能力不及空間站機械臂末端執行器，但也可滿足其執行較高精度操作的任務要求。

此外，類似三指爪型末端抓捕機構設計的還有空間站專用靈巧臂系統中的欠驅動自適應機械手(SARAH)，如圖12所示。SARAH與軌道快車抓捕系統采取類似的結構原理，其主要區別于在于SARAH采用欠驅動的控制方式，使得該末端執行器可以抓捕不同外形的目標物體，具有較大的容差特性，同時可抓捕未知外形的非合作目標物體，可以通過遙操作執行空間站維護和部件更換任務，在一定程度上代替宇航員執行艙外任務[13]。圖13為SARAH抓取柱形物體實驗。該末端執行器具有一定包絡目標外形的能力，但由于其不可延展性，使得可抓捕物體的體積受限，當目標物體的包絡體積超過自適應機械手時，無法完成抓捕操作。由于體積結構限制，該型末端執行器較難應用于空間大型飛行器的抓捕任務。

圖12 欠驅動自適應機械手Fig.12 Self-adapting robotic auxiliary hand

圖13 SARAH抓捕圓柱形物體Fig.13 SARAH capturing cylindrical object

2.3 我國空間機械臂末端執行器相關研究

我國空間機械臂相關研究起步較晚，國內研究機構在早期研發階段，多采用類三指爪式末端抓捕機構。哈爾濱工業大學與德國宇航中心設計的三指爪末端抓捕機構，如圖14所示[13]。該機構在執行抓捕任務時，兩端弧形機構同時向中間夾緊閉合，最終三指交叉固定目標物體。但該型末端執行器由于結構柔順特性欠缺，很難降低與目標物體碰撞動能。

圖14 哈爾濱工業大學與德宇航聯合研制的末端執行器抓捕實驗Fig.14 End-effector developed by HIT and DLR

此外，哈爾濱工業大學機器人研究所參考國際空間站末端執行器設計，研制了一款同樣以鋼絲索纏繞捕獲方式實現抓捕操作的末端執行器，如圖15所示。該末端執行器與國際空間站通用末端機構采用相同抓捕原理[14-15]。此外抓捕成功后，末端機構的4個固連裝置可以提供16 kN的夾緊力，以確保機械臂末端與目標物體的高剛度連接[16]。駱敏舟等[17]設計了自主抓取流程與抓取方式，并采用模糊神經網絡控制，進行抓取操作訓練，最終研制出適應抓捕不同外形目標任務的欠驅動手爪。

圖15 哈爾濱工業大學研制的空間機械臂末端執行器Fig.15 Space manipulator end-effector developed by HIT

以上空間機械臂末端執行器主要通過設計具有柔順結構的抓捕裝置實現目標物體的柔順抓捕。除了在硬件結構上增加抓捕裝置柔順特性，在控制方法上，不同空間機械臂系統也用了不同的柔順控制方法，空間機械臂的柔順控制也是國內外學者研究的熱點。

3 空間機械臂柔順控制

空間機械臂系統的控制主要包括：抓捕操作前，空間機械臂的軌跡跟蹤控制；抓捕操作時，對末端執行器抓捕進行柔順控制；抓捕成功后，對系統進行振動抑制控制。而空間機械臂的柔順控制，主要是末端執行器進行目標抓取時的柔順控制。

空間機械臂系統存在高度非線性和強耦合的特點，傳統的控制方法(如PID控制)將空間機械臂系統近似線性化處理，使得控制模型不能很好地反映空間機械臂的動態特性，因此傳統控制方法較難實現空間機械臂柔順控制。柔順控制是一種使系統適

應各種不同外界環境，根據外環境作用力、擾動等變化做出響應的一種控制方法。其中系統柔順性分為被動柔順和主動柔順，被動柔順主要依靠硬件結構的柔順變形實現；而主動柔順性則要依靠控制方法實現，其核心為力柔順控制。應用較為廣泛的主動柔順控制方法主要有阻抗控制、力/位置混合控制。在基礎柔順控制方法基礎上，結合現代控制算法使機械臂的柔順控制方法進入新的智能化階段，同時有更多的研究人員參與到智能柔順控制的研究當中。

1) 阻抗控制

HOGAN[18]提出通過調整末端執行器的位置來控制接觸力的大小的方法。根據控制量的不同可分為位置阻抗控制和力阻抗控制。針對空間機械臂執行抓捕任務，要求其末端執行器與目標物體的接觸碰撞力控制在一個較小的范圍內，力阻抗控制更符合其要求。阻抗控制是通過調整參考位置間接地實現力控制的，而實際應用中，工況很難進行測量和預估，即使較小的測量誤差也將導致很大的輸出力誤差，因此，LASKY等[19]提出了內外環控制策略，通過建立力誤差二次型性能指標以獲得外環參考位置的修正率，其動力學的不確定性在內環的位置控制中得到補償。董曉星[20]采用基于位置的力柔順阻抗控制方法，實現空間機械臂的柔順控制。SALISBURY[21]通過定義末端執行器力和位置的線性關系，選擇剛度矩陣定義機械臂末端在約束方向上的順應性，但是該方法忽略了全局動態穩定性。YAO等[22]將滑模控制引入到阻抗控制中，在滑動模態中包含了理想的阻抗關系，但其對力的精確跟蹤控制需要對環境的精確建模，有明顯缺陷。在阻抗控制中，針對現代機器人的應用要求，虛擬阻抗概念也在控制方法中得到了廣泛應用。NAKABO[23]在虛擬阻抗的基礎上提出了視覺阻抗的概念，將視覺反饋信息與阻抗控制相結合，實現對于機器人末端執行器的阻抗控制。

傳統的阻抗控制中，其系統的剛度和柔順性的矛盾使其應用具有一定局限性，需要進行優化。

2) 力/位置混合控制

RAIBERT等[24]于1981年提出通過雅克比矩陣將空間任意方向的力和位置分配到各個關節上，達到力和位置的共同控制。力/位置混合控制的核心是在系統一些自由度上采用力控制，其余自由度采用位置控制，以實現綜合控制的目標。

力/位置混合控制過程中，根據系統與外環境是否接觸而變換控制模式，可以控制接觸力隨期望值變化，但控制器結構要根據系統與環境接觸的動力學特性確定[25]。經典的力/位置混合控制器如圖16所示。位置控制環和力控制環都是平行地在各自的約束空間中獨立完成的，在混合控制中需要不斷地在2個空間來回切換，計算復雜度較高，同時該方法未考慮機械臂末端力與位置的耦合效應，因此系統穩定性較差。ZHANG等[26]提出了直接將位置的期望轉化為機械臂各個關節的期望轉角，直接控制機械臂關節。覃海強[27]在經典的R-C控制器基礎上，引入梯度投影法，最終設計實現基于梯度投影法的力/位置混合控制方法，并通過仿真驗證其方法的可行性。

盡管力/位置混合控制方法已經被廣泛應用于工業生產中，仍然存在一些問題：對環境未知的情況下，該控制方法難以確定控制矩陣參數；由于力和位置對系統剛度的不同要求，難以在實際控制中根據任務要求作出變化。傳統力/位置混合控制方法具有一定的應用局限性，需要結合其他智能控制算法進行改進和優化。

圖16 經典R-C控制器結構圖Fig.16 Classical R-C controller structure diagram

3) 現代柔順控制方法

空間機械臂系統具有高度非線性，同時有較多未知干擾對系統產生影響，在執行抓捕任務時，面臨著模型參數不確定，外界干擾不確定、非合作目標抓捕參數不確定等問題、經典控制理論難以實際應用。因此，與智能算法相結合的柔順控制也是空間機械臂控制方法的一大發展方向。馬小良[28]將自適應算法引入到阻抗控制器中，設計了自適應阻抗控制器，間接調節目標阻抗參數，提高系統對環境適應能力和抗干擾能力。高道祥等[29]針對力/位置混合控制器易受外界干擾而失穩的缺點，引入自適應算法，使系統應對外環境干擾能夠自行調節系統參數，系統魯棒性得到提高。OSYPIUK等[30]根據機械臂力/位置混合控制要求，改進模型跟蹤控制算法，添加了模型輸出、被控對象和模型反饋，實現接觸力控制，增加了系統魯棒性。SONG等[31]在控制系統中加入帶光滑魯棒補償器的滑模結構，增強了系統抗干擾能力。CHIAVERINI[32]考慮了接觸環境剛度未知的條件下的力/位置并行控制，采用帶有期望力前饋的逆動力學方程構成控制器，并由一個力誤差驅動的更新算法進行自適應，實現約束方向上的力控制和無約束方向上的運動控制，但由于其模型過于復雜在實際問題中難以求解，因此其應用具有局限性。現代柔順控制理論由于其本身具有控制模型復雜和較小的適用范圍等缺點，使得其理論多在計算機仿真中進行驗證，因此要在實際系統中應用現代柔順控制方法，仍需對其進行相應改進。

4) 智能柔順控制方法

有研究人員將人工智能方法應用于機械臂的智能控制中。張慶利等[33]將模糊自適應的方法與柔順控制相結合實現三指空間機器人柔順抓取控制，并取得較理想實驗結果。CONNOLLY等[34]將多層前向反饋神經網絡和力/位置混合控制結合起來運用于機械臂的控制中，前饋神經網絡用來辨識機械臂系統中的不確定模型參數，并成功運用于2自由度的機械臂仿真控制中。JEON等[35]將機器學習算法與力/位置混合控制結合成功運用于機械臂的控制，并發現在每次操作中力、位置誤差的矯正，呈現漸進穩定的特性。JUNG等[36]將神經網絡算法應用到阻抗力控制中，神經網絡算法在控制中用來補償機器人模型的不確定性，針對機器人驅動力矩和位置的阻抗控制器都增加了系統的魯棒性。TANAKA等[37]通過基于神經網絡的在線學習方法整定阻抗控制參數，將其應用于機械臂阻抗控制中，通過整定機械臂末端位置、速度、力和環境辨識參數，使控制系統具有較好的魯棒性。XU[38]提出了主動柔順與被動柔順相結合的觀點，針對設計的機械手腕，采用模糊控制的方法進行插孔實驗。YANG等[39]利用模糊規則和語言變量整定神經網絡參數，通過神經網絡學習優化，使系統有自適應能力補償干擾。周曉東等[40]將粒子群算法與阻抗控制模型相結合，對阻抗控制參數進行優化，經仿真實驗證明其控制方法具有較好的魯棒性。國內不少學者在模糊智能算法與柔順控制相結合的方面做了深入研究[41-44]。

智能算法與傳統控制算法結合，例如模糊理論和阻抗控制理論結合，與神經網絡學習算法結合，都僅處于控制參數的調整階段，還有較大的應用空間有待發掘。柔順控制目前廣泛應用于工業機械臂的控制，但在空間應用領域仍需要進一步研究和拓展。

4 空間機械臂系統柔順抓捕技術的發展

空間機械臂系統的應用仍存在較多的發展空間，特別是在柔順抓捕技術上。例如空間機械臂的在軌操作仍依賴于宇航員或者地面遙操作站的控制；末端執行器的功能過于單一化，大型空間機械臂較多用來協助空間飛行器與空間站等大型飛行目標的交匯對接，而對于小范圍的特殊精準操作需要借助于特殊靈巧機械臂，而靈巧臂的末端由于體積限制無法完成較大空間目標的抓捕工作。因此空間機械臂系統在柔順抓捕技術上仍需進行深入研究。

我國正在自主研發空間機械臂系統，將在空間機械臂柔順控制、合作目標與非合作目標柔順抓捕等方面進行研究。根據現有的空間機械臂系統的研究和應用，空間機械臂柔順抓捕技術還有以下關鍵技術亟待解決：

1) 空間機械臂的柔順抓捕技術與目前主要人工智能算法相結合，如深度學習、機器學習等。實現在無宇航員操作情況下，空間機械臂對于目標物體完成自主抓捕。

2) 空間機械臂系統末端需要配備一款具有一定通用性的末端執行器，不僅可以滿足合作目標的抓捕，還可以實現一定規格的非合作目標的抓捕。

3) 空間在軌作業中，雙臂或者多臂系統的協同作業，是空間機械臂實施柔順抓捕操作的另一發展方向，多臂系統對于目標抓捕的容差性能將大幅提高，抓捕成功率也較單臂系統更高。多臂系統也為空間機器人完全代替宇航員出艙活動帶來更大的可能性。