基于十二维力/加速度传感器的空间机械臂振动抑制与阻抗控制研究

With the development of China's space technology, the space manipulator will play an irreplaceable role in the space station of the construction and operation. However, the presence of joint flexibility and inertia forces results in greater residual vibration in position control using conventional sensors, lower accuracy and stability in force control. Theoretical studies show that 12-axis/force acceleration sensor can suppress the vibration of the manipulator effectively and improve the identification accuracy of the contact force to improve the manipulator impedance control. This project intends to development a novel 12-axis/force acceleration sensor, and make error compensation and calibration. To restrain the residual vibration of the manipulator, the negative feedback of acceleration adopted as the vibration suppression strategy of the inner loop of the position controller based on the 12-axis/force acceleration sensor. The method increases the bandwidth and reduces the vibration by increasing the system dynamic stiffness, and reduce the dynamic error in position control with outer loop gain. The force observer and the compensation model of inertial force is designed, respectively. To improve the impedance control performance of the manipulator, the contact force is compensated and corrected by the feedback of the sensor. Using the conditions possessed by the research group already, we set up an experimental platform and develop experimental research.

随着中国航天技术的发展，空间机械臂将在空间站的建设与运营方面发挥不可替代的作用。然而，关节柔性和惯性力的存在导致使用传统的传感器在位置控制时有较大的残余振动，力控制时精度和稳定性低。理论研究表明，利用十二维/力加速度传感器可以有效抑制机械臂的振动及提高接触力的辨识精度，从而改善机械臂阻抗控制效果。本课题拟研究一种新型十二维/力加速度传感器，并进行误差补偿和标定研究。基于该十二维/力加速度传感器，采用加速度负反馈作为位置控制器内环的抑振策略抑制机械臂的残余振动，该方法通过提高系统动态刚度的方式增加带宽、抑制振动，且在不改变外环增益的情况下降低位置控制的动态误差。设计力观测器并建立惯性力的补偿模型，通过加速度传感器的反馈对接触力进行补偿校正，提升机械臂的阻抗控制性能。利用课题组已具备的条件，搭建实验平台，进行实验研究。

随着中国航天技术的发展，空间机械臂将在空间站的建设与运营方面、在轨维护与维修、在轨组装和在轨服务等方面发挥不可替代的作用。然而，关节柔性和惯性力的存在导致使用传统的传感器在位置控制时有较大的残余振动，力控制时精度和稳定性低。.本课题研制了一种新型十二维力/加速度传感器，从理论计算、仿真分析、结构设计、样机加工、装配调试、试验测试等方面进行了研究。采用电阻应变计构建惠斯通电桥原理测量六维力；采用三轴线加速度计构建特殊的空间几何构型测量六维加速度。采用有限元方法对过弹性体进行了应力应变分析，对六维加速度传感器构型的安装误差和测量误差进行了分析和仿真。设计了传感器信号采集与处理电路。完成了样机加工，采用最小二乘方法对六维力传感器进行了标定测试，对六维加速度传感器进行了静态标定和动态标定。补偿了六维力传感器零点漂移误差，补偿了六维加速度传感器的误差，并进行了试验验证。.进行了柔性关节加速度反馈分析，给出了柔性关节加速度反馈控制器的稳定性证明。搭建了基于加速度反馈的关节柔性振动试验台，进行了基于加速度反馈的关节柔性振动仿真和试验测试，结果表明加速度反馈可有效降低关节的振动。建立了接触力辨识模型，利用十二维力/加速度传感器获取机械臂与末端接触环境的接触力。建立了基于十二维力/加速度传感器的阻抗控制模型，在已知末端操作器和载荷惯量参数的前提下，进行惯性力补偿，得到机械臂与环境之间准确的相互作用力，再与期望力轨迹进行对比，可以得出接触力误差，将此误差输入阻抗控制器就可以得到末端位置的修正量，用此修正量去修正末端轨迹从而实现机械臂对环境的柔顺性。通过试验测试，本项目提出的惯性力补偿方法具有一定的补偿效果，能够减小由于惯性导致六维力传感器输出的波动，并且引入加速度后的阻抗控制策略能够提高力的控制性能。