基于空間機(jī)械臂的柔順抓捕技術(shù)研究綜述

湯奇榮，黎 杰，張凌楷，趙慶巖，李 寧，鄒懷武

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，機(jī)器人技術(shù)與多體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

0 引言

隨著空間探索的深入，空間機(jī)械臂愈發(fā)廣泛地應(yīng)用于空間任務(wù)的各個方面：如空間站的建造與維護(hù)、衛(wèi)星的釋放與回收、協(xié)助目標(biāo)衛(wèi)星交會對接以及協(xié)助科學(xué)試驗(yàn)等。其中，空間機(jī)械臂對于在軌飛行器的精準(zhǔn)抓捕通常是以上空間任務(wù)得以執(zhí)行的前提。由于空間的微重力環(huán)境，目標(biāo)物體運(yùn)動狀態(tài)常因物體間的碰撞而發(fā)生較大突變，導(dǎo)致機(jī)械臂對目標(biāo)物體實(shí)施精確抓捕變得極為困難，因此利用空間機(jī)械臂對目標(biāo)物體進(jìn)行柔順抓捕具有重大研究意義。空間機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)柔順抓捕，其核心是在對目標(biāo)飛行器進(jìn)行穩(wěn)定抓取的前提下，盡可能降低對基體航天器的影響。要實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的抓捕需要經(jīng)歷多個過程，包括目標(biāo)檢測與運(yùn)動軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤控制、碰撞及抓取目標(biāo)，以及捕后穩(wěn)定控制，如圖1所示[1]。

圖1 空間機(jī)械臂系統(tǒng)抓捕目標(biāo)過程Fig.1 Process of target capturing by space manipulator system

柔順抓捕按操作機(jī)構(gòu)分為網(wǎng)捕和空間機(jī)械臂抓捕2種方式。空間機(jī)械臂系統(tǒng)對目標(biāo)的抓捕具有非破壞性，在空間任務(wù)中應(yīng)用廣泛。利用空間機(jī)械臂抓捕目標(biāo)，即通過空間機(jī)械臂將末端夾具輸送到可抓捕區(qū)域中，調(diào)整合適的末端執(zhí)行器位姿實(shí)施對目標(biāo)的抓捕，完成末端執(zhí)行器和目標(biāo)的充分接觸之后，對目標(biāo)進(jìn)行可靠抓夾。與此同時，也需對機(jī)械臂-末端執(zhí)行器-目標(biāo)新系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識，實(shí)現(xiàn)對新系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，從而達(dá)到對目標(biāo)的穩(wěn)定可靠抓取。本文主要探討當(dāng)前空間機(jī)械臂抓捕機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀，以及空間機(jī)械臂對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)柔順抓捕控制的方法。

1 主要的空間機(jī)械臂系統(tǒng)

著名的在軌服務(wù)空間機(jī)械臂系統(tǒng)有：航天飛機(jī)遙控機(jī)械手系統(tǒng)(SRMS)[2]、空間站遙控機(jī)械手系統(tǒng)(SSRMS)[2]、日本實(shí)驗(yàn)艙遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)(JRMEMS)[3]、歐洲機(jī)械臂系統(tǒng)(ERA)[4]，分別如圖2～5所示，其特點(diǎn)見表1。其中，加拿大研制的SRMS是第一個在軌環(huán)境中應(yīng)用的自動操作器系統(tǒng)，一直應(yīng)用在航天飛機(jī)上，可協(xié)助航天員進(jìn)行艙外活動。而后期改進(jìn)型的機(jī)械臂系統(tǒng)SSRMS，增加了固連鎖緊裝置且布置了電氣接口，在末端執(zhí)行抓捕之后，控制中心可以通過機(jī)械臂末端與目標(biāo)飛行器的電氣連接實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)飛行器通訊并實(shí)施控制操作。

圖2 航天飛機(jī)遙控機(jī)械手系統(tǒng)Fig.2 Shuttle remote manipulator system

圖3 空間站遙控機(jī)械手系統(tǒng)Fig.3 Space station remote manipulator system

圖4 日本實(shí)驗(yàn)艙遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)Fig.4 Japanese experiment module remote manipulator system

圖5 歐洲機(jī)械臂系統(tǒng)Fig.5 European robot arm system

表1 典型的空間機(jī)械臂系統(tǒng)

國際空間站日本實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)，可以在軌抓捕空間飛行器，協(xié)助飛行器與國際空間站交會對接。小微臂基座端也設(shè)計(jì)了可與主臂末端對接的接口，以實(shí)現(xiàn)主臂和小微臂聯(lián)合工作。小微臂末端搭載了腕部力/力矩傳感器和手眼相機(jī)，使得小微臂可以執(zhí)行更加精細(xì)和復(fù)雜的空間任務(wù)[5]。其控制方式同樣采用宇航員目視遙控的方式進(jìn)行操作，由傳感器和相機(jī)調(diào)整和糾正姿態(tài)，控制成本較高，但運(yùn)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(shè)計(jì)建造的大型空間機(jī)械臂系統(tǒng)ERA，其采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，末端搭載三邊鎖扣形式的末端執(zhí)行器。由于其末端執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為導(dǎo)入鎖扣形式，使得其容差特性較類錐桿抓捕機(jī)構(gòu)差，當(dāng)機(jī)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(jī)械臂末端機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

空間機(jī)械臂進(jìn)行目標(biāo)抓捕任務(wù)時，末端執(zhí)行器的選擇對抓捕任務(wù)也起著關(guān)鍵的作用。目前研究人員設(shè)計(jì)的空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)形式主要有類錐桿式和指爪類兩類。

2.1 類錐桿式捕獲機(jī)構(gòu)

SRMS，SSRMS和哈勃望遠(yuǎn)鏡維修機(jī)器人系統(tǒng)[6]的末端執(zhí)行器均采用鋼絲索纏繞的類錐桿捕獲機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間目標(biāo)物體的抓捕，此類機(jī)構(gòu)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(jī)械臂末端執(zhí)行器與對接接口如圖6所示。圖7為類錐桿式末端執(zhí)行器的抓捕過程，該機(jī)構(gòu)采用三段鋼絲索纏繞目標(biāo)錐桿的方式完成抓捕動作，在完成抓捕動作后，拖動目標(biāo)，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(biāo)物體的剛性碰撞，以達(dá)到軟捕獲的目的。

圖6 國際空間站機(jī)械臂末端執(zhí)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(jī)構(gòu)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(wèi)星平臺所開發(fā)的靈巧軌道延壽飛行器(SMART-OLEV)對接機(jī)構(gòu)為另一種類錐桿式末端捕獲機(jī)構(gòu)。SMART-OLEV與目標(biāo)飛行器對接如圖8所示[8]。其對接機(jī)構(gòu)工作原理是將可膨脹的細(xì)桿插入目標(biāo)飛行器的尾噴管的細(xì)錐形管中，再將可膨脹的細(xì)桿充分展開，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)飛行器的連接，即可靠抓捕目標(biāo)飛行器，如圖9所示。此種捕獲機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對合作和非合作目標(biāo)的抓取，但其捕獲控制復(fù)雜，對目標(biāo)飛行器尾噴管的形狀要求較高。

圖8 SMART-OLEV與目標(biāo)衛(wèi)星對接Fig.8 SMART-OLEV docking with client satellite

圖9 SMART-OLEV對接機(jī)構(gòu)工作原理圖Fig.9 Schematic diagram of SMART-OLEV docking structure

2.2 指爪類捕獲機(jī)構(gòu)

圖10 ERA末端導(dǎo)入式三角鎖扣抓捕機(jī)構(gòu)Fig.10 Import triangle lock arresting mechanism of ERA

ERA末端搭載導(dǎo)入式三角鎖扣抓捕機(jī)構(gòu)，如圖10所示[9]。因該末端執(zhí)行器較鋼絲索纏繞式抓捕機(jī)構(gòu)的抓捕成功率低，故對該型機(jī)械臂末端進(jìn)行改進(jìn)，在其末端增加了一套類錐桿型鋼絲索纏繞捕獲機(jī)構(gòu)，彌補(bǔ)了該型末端機(jī)構(gòu)的部分缺陷。美國軌道快車項(xiàng)目，在最終實(shí)施階段采用了加拿大MDA公司為軌道快車項(xiàng)目設(shè)計(jì)的三指-三瓣式抓捕對接機(jī)構(gòu)，即軌道快車抓捕系統(tǒng)，如圖11所示[10]。

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

在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)中，在微重力實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了充分的微重力實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該抓捕對接機(jī)構(gòu)的可靠性[11]。該抓捕對接機(jī)構(gòu)具有一定的抓捕容差特性，目標(biāo)物體與末端機(jī)構(gòu)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(nèi)實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)物體的抓捕操作。但是由于三指爪型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得抓捕目標(biāo)物體必須具有特定的三瓣式結(jié)構(gòu)，才可實(shí)現(xiàn)抓捕，不具備非合作目標(biāo)的抓捕能力。而軌道快車抓捕系統(tǒng)，相較于國際空間站上在軌運(yùn)行的幾款空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器，其容差能力不及空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器，但也可滿足其執(zhí)行較高精度操作的任務(wù)要求。

此外，類似三指爪型末端抓捕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的還有空間站專用靈巧臂系統(tǒng)中的欠驅(qū)動自適應(yīng)機(jī)械手(SARAH)，如圖12所示。SARAH與軌道快車抓捕系統(tǒng)采取類似的結(jié)構(gòu)原理，其主要區(qū)別于在于SARAH采用欠驅(qū)動的控制方式，使得該末端執(zhí)行器可以抓捕不同外形的目標(biāo)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(biāo)物體，可以通過遙操作執(zhí)行空間站維護(hù)和部件更換任務(wù)，在一定程度上代替宇航員執(zhí)行艙外任務(wù)[13]。圖13為SARAH抓取柱形物體實(shí)驗(yàn)。該末端執(zhí)行器具有一定包絡(luò)目標(biāo)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(dāng)目標(biāo)物體的包絡(luò)體積超過自適應(yīng)機(jī)械手時，無法完成抓捕操作。由于體積結(jié)構(gòu)限制，該型末端執(zhí)行器較難應(yīng)用于空間大型飛行器的抓捕任務(wù)。

圖12 欠驅(qū)動自適應(yīng)機(jī)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(jī)械臂末端執(zhí)行器相關(guān)研究

我國空間機(jī)械臂相關(guān)研究起步較晚，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在早期研發(fā)階段，多采用類三指爪式末端抓捕機(jī)構(gòu)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)與德國宇航中心設(shè)計(jì)的三指爪末端抓捕機(jī)構(gòu)，如圖14所示[13]。該機(jī)構(gòu)在執(zhí)行抓捕任務(wù)時，兩端弧形機(jī)構(gòu)同時向中間夾緊閉合，最終三指交叉固定目標(biāo)物體。但該型末端執(zhí)行器由于結(jié)構(gòu)柔順特性欠缺，很難降低與目標(biāo)物體碰撞動能。

圖14 哈爾濱工業(yè)大學(xué)與德宇航聯(lián)合研制的末端執(zhí)行器抓捕實(shí)驗(yàn)Fig.14 End-effector developed by HIT and DLR

此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所參考國際空間站末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)，研制了一款同樣以鋼絲索纏繞捕獲方式實(shí)現(xiàn)抓捕操作的末端執(zhí)行器，如圖15所示。該末端執(zhí)行器與國際空間站通用末端機(jī)構(gòu)采用相同抓捕原理[14-15]。此外抓捕成功后，末端機(jī)構(gòu)的4個固連裝置可以提供16 kN的夾緊力，以確保機(jī)械臂末端與目標(biāo)物體的高剛度連接[16]。駱敏舟等[17]設(shè)計(jì)了自主抓取流程與抓取方式，并采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，進(jìn)行抓取操作訓(xùn)練，最終研制出適應(yīng)抓捕不同外形目標(biāo)任務(wù)的欠驅(qū)動手爪。

圖15 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器Fig.15 Space manipulator end-effector developed by HIT

以上空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器主要通過設(shè)計(jì)具有柔順結(jié)構(gòu)的抓捕裝置實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的柔順抓捕。除了在硬件結(jié)構(gòu)上增加抓捕裝置柔順特性，在控制方法上，不同空間機(jī)械臂系統(tǒng)也用了不同的柔順控制方法，空間機(jī)械臂的柔順控制也是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

3 空間機(jī)械臂柔順控制

空間機(jī)械臂系統(tǒng)的控制主要包括：抓捕操作前，空間機(jī)械臂的軌跡跟蹤控制；抓捕操作時，對末端執(zhí)行器抓捕進(jìn)行柔順控制；抓捕成功后，對系統(tǒng)進(jìn)行振動抑制控制。而空間機(jī)械臂的柔順控制，主要是末端執(zhí)行器進(jìn)行目標(biāo)抓取時的柔順控制。

空間機(jī)械臂系統(tǒng)存在高度非線性和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制方法(如PID控制)將空間機(jī)械臂系統(tǒng)近似線性化處理，使得控制模型不能很好地反映空間機(jī)械臂的動態(tài)特性，因此傳統(tǒng)控制方法較難實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔順控制。柔順控制是一種使系統(tǒng)適

應(yīng)各種不同外界環(huán)境，根據(jù)外環(huán)境作用力、擾動等變化做出響應(yīng)的一種控制方法。其中系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的柔順變形實(shí)現(xiàn)；而主動柔順性則要依靠控制方法實(shí)現(xiàn)，其核心為力柔順控制。應(yīng)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(chǔ)柔順控制方法基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代控制算法使機(jī)械臂的柔順控制方法進(jìn)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(dāng)中。

1) 阻抗控制

HOGAN[18]提出通過調(diào)整末端執(zhí)行器的位置來控制接觸力的大小的方法。根據(jù)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(jī)械臂執(zhí)行抓捕任務(wù)，要求其末端執(zhí)行器與目標(biāo)物體的接觸碰撞力控制在一個較小的范圍內(nèi)，力阻抗控制更符合其要求。阻抗控制是通過調(diào)整參考位置間接地實(shí)現(xiàn)力控制的，而實(shí)際應(yīng)用中，工況很難進(jìn)行測量和預(yù)估，即使較小的測量誤差也將導(dǎo)致很大的輸出力誤差，因此，LASKY等[19]提出了內(nèi)外環(huán)控制策略，通過建立力誤差二次型性能指標(biāo)以獲得外環(huán)參考位置的修正率，其動力學(xué)的不確定性在內(nèi)環(huán)的位置控制中得到補(bǔ)償。董曉星[20]采用基于位置的力柔順阻抗控制方法，實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂的柔順控制。SALISBURY[21]通過定義末端執(zhí)行器力和位置的線性關(guān)系，選擇剛度矩陣定義機(jī)械臂末端在約束方向上的順應(yīng)性，但是該方法忽略了全局動態(tài)穩(wěn)定性。YAO等[22]將滑?？刂埔氲阶杩箍刂浦校诨瑒幽B(tài)中包含了理想的阻抗關(guān)系，但其對力的精確跟蹤控制需要對環(huán)境的精確建模，有明顯缺陷。在阻抗控制中，針對現(xiàn)代機(jī)器人的應(yīng)用要求，虛擬阻抗概念也在控制方法中得到了廣泛應(yīng)用。NAKABO[23]在虛擬阻抗的基礎(chǔ)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(jié)合，實(shí)現(xiàn)對于機(jī)器人末端執(zhí)行器的阻抗控制。

傳統(tǒng)的阻抗控制中，其系統(tǒng)的剛度和柔順性的矛盾使其應(yīng)用具有一定局限性，需要進(jìn)行優(yōu)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(guān)節(jié)上，達(dá)到力和位置的共同控制。力/位置混合控制的核心是在系統(tǒng)一些自由度上采用力控制，其余自由度采用位置控制，以實(shí)現(xiàn)綜合控制的目標(biāo)。

力/位置混合控制過程中，根據(jù)系統(tǒng)與外環(huán)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(jié)構(gòu)要根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境接觸的動力學(xué)特性確定[25]。經(jīng)典的力/位置混合控制器如圖16所示。位置控制環(huán)和力控制環(huán)都是平行地在各自的約束空間中獨(dú)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(jì)算復(fù)雜度較高，同時該方法未考慮機(jī)械臂末端力與位置的耦合效應(yīng)，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。ZHANG等[26]提出了直接將位置的期望轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂各個關(guān)節(jié)的期望轉(zhuǎn)角，直接控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)。覃海強(qiáng)[27]在經(jīng)典的R-C控制器基礎(chǔ)上，引入梯度投影法，最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于梯度投影法的力/位置混合控制方法，并通過仿真驗(yàn)證其方法的可行性。

盡管力/位置混合控制方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，仍然存在一些問題：對環(huán)境未知的情況下，該控制方法難以確定控制矩陣參數(shù)；由于力和位置對系統(tǒng)剛度的不同要求，難以在實(shí)際控制中根據(jù)任務(wù)要求作出變化。傳統(tǒng)力/位置混合控制方法具有一定的應(yīng)用局限性，需要結(jié)合其他智能控制算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

圖16 經(jīng)典R-C控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.16 Classical R-C controller structure diagram

3) 現(xiàn)代柔順控制方法

空間機(jī)械臂系統(tǒng)具有高度非線性，同時有較多未知干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在執(zhí)行抓捕任務(wù)時，面臨著模型參數(shù)不確定，外界干擾不確定、非合作目標(biāo)抓捕參數(shù)不確定等問題、經(jīng)典控制理論難以實(shí)際應(yīng)用。因此，與智能算法相結(jié)合的柔順控制也是空間機(jī)械臂控制方法的一大發(fā)展方向。馬小良[28]將自適應(yīng)算法引入到阻抗控制器中，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)阻抗控制器，間接調(diào)節(jié)目標(biāo)阻抗參數(shù)，提高系統(tǒng)對環(huán)境適應(yīng)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(wěn)的缺點(diǎn)，引入自適應(yīng)算法，使系統(tǒng)應(yīng)對外環(huán)境干擾能夠自行調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)魯棒性得到提高。OSYPIUK等[30]根據(jù)機(jī)械臂力/位置混合控制要求，改進(jìn)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(shí)現(xiàn)接觸力控制，增加了系統(tǒng)魯棒性。SONG等[31]在控制系統(tǒng)中加入帶光滑魯棒補(bǔ)償器的滑模結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力。CHIAVERINI[32]考慮了接觸環(huán)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(xué)方程構(gòu)成控制器，并由一個力誤差驅(qū)動的更新算法進(jìn)行自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)約束方向上的力控制和無約束方向上的運(yùn)動控制，但由于其模型過于復(fù)雜在實(shí)際問題中難以求解，因此其應(yīng)用具有局限性?，F(xiàn)代柔順控制理論由于其本身具有控制模型復(fù)雜和較小的適用范圍等缺點(diǎn)，使得其理論多在計(jì)算機(jī)仿真中進(jìn)行驗(yàn)證，因此要在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代柔順控制方法，仍需對其進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

4) 智能柔順控制方法

有研究人員將人工智能方法應(yīng)用于機(jī)械臂的智能控制中。張慶利等[33]將模糊自適應(yīng)的方法與柔順控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)三指空間機(jī)器人柔順抓取控制，并取得較理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果。CONNOLLY等[34]將多層前向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和力/位置混合控制結(jié)合起來運(yùn)用于機(jī)械臂的控制中，前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來辨識機(jī)械臂系統(tǒng)中的不確定模型參數(shù)，并成功運(yùn)用于2自由度的機(jī)械臂仿真控制中。JEON等[35]將機(jī)器學(xué)習(xí)算法與力/位置混合控制結(jié)合成功運(yùn)用于機(jī)械臂的控制，并發(fā)現(xiàn)在每次操作中力、位置誤差的矯正，呈現(xiàn)漸進(jìn)穩(wěn)定的特性。JUNG等[36]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到阻抗力控制中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在控制中用來補(bǔ)償機(jī)器人模型的不確定性，針對機(jī)器人驅(qū)動力矩和位置的阻抗控制器都增加了系統(tǒng)的魯棒性。TANAKA等[37]通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)方法整定阻抗控制參數(shù)，將其應(yīng)用于機(jī)械臂阻抗控制中，通過整定機(jī)械臂末端位置、速度、力和環(huán)境辨識參數(shù)，使控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性。XU[38]提出了主動柔順與被動柔順相結(jié)合的觀點(diǎn)，針對設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕，采用模糊控制的方法進(jìn)行插孔實(shí)驗(yàn)。YANG等[39]利用模糊規(guī)則和語言變量整定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)優(yōu)化，使系統(tǒng)有自適應(yīng)能力補(bǔ)償干擾。周曉東等[40]將粒子群算法與阻抗控制模型相結(jié)合，對阻抗控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明其控制方法具有較好的魯棒性。國內(nèi)不少學(xué)者在模糊智能算法與柔順控制相結(jié)合的方面做了深入研究[41-44]。

智能算法與傳統(tǒng)控制算法結(jié)合，例如模糊理論和阻抗控制理論結(jié)合，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法結(jié)合，都僅處于控制參數(shù)的調(diào)整階段，還有較大的應(yīng)用空間有待發(fā)掘。柔順控制目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械臂的控制，但在空間應(yīng)用領(lǐng)域仍需要進(jìn)一步研究和拓展。

4 空間機(jī)械臂系統(tǒng)柔順抓捕技術(shù)的發(fā)展

空間機(jī)械臂系統(tǒng)的應(yīng)用仍存在較多的發(fā)展空間，特別是在柔順抓捕技術(shù)上。例如空間機(jī)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(zhí)行器的功能過于單一化，大型空間機(jī)械臂較多用來協(xié)助空間飛行器與空間站等大型飛行目標(biāo)的交匯對接，而對于小范圍的特殊精準(zhǔn)操作需要借助于特殊靈巧機(jī)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(biāo)的抓捕工作。因此空間機(jī)械臂系統(tǒng)在柔順抓捕技術(shù)上仍需進(jìn)行深入研究。

我國正在自主研發(fā)空間機(jī)械臂系統(tǒng)，將在空間機(jī)械臂柔順控制、合作目標(biāo)與非合作目標(biāo)柔順抓捕等方面進(jìn)行研究。根據(jù)現(xiàn)有的空間機(jī)械臂系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，空間機(jī)械臂柔順抓捕技術(shù)還有以下關(guān)鍵技術(shù)亟待解決：

1) 空間機(jī)械臂的柔順抓捕技術(shù)與目前主要人工智能算法相結(jié)合，如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。實(shí)現(xiàn)在無宇航員操作情況下，空間機(jī)械臂對于目標(biāo)物體完成自主抓捕。

2) 空間機(jī)械臂系統(tǒng)末端需要配備一款具有一定通用性的末端執(zhí)行器，不僅可以滿足合作目標(biāo)的抓捕，還可以實(shí)現(xiàn)一定規(guī)格的非合作目標(biāo)的抓捕。

3) 空間在軌作業(yè)中，雙臂或者多臂系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，是空間機(jī)械臂實(shí)施柔順抓捕操作的另一發(fā)展方向，多臂系統(tǒng)對于目標(biāo)抓捕的容差性能將大幅提高，抓捕成功率也較單臂系統(tǒng)更高。多臂系統(tǒng)也為空間機(jī)器人完全代替宇航員出艙活動帶來更大的可能性。