(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210443677.7 (22)申请日 2022.04.26 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 胡庆雷　吴晗　邵小东　郑建英　 郭雷　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 江亚平　邓治平 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种空间机械臂与未知环境接触过程的智 能柔顺操控方法 (57)摘要 本发明涉及一种空间机械臂与未知环境接 触过程的智 能柔顺操控方法， 首先， 利用凯恩方 程和多体动力学理论建立空间机械臂系统的动 力学模型， 对机械臂末端与目标的环 境接触模型 进行数学表征； 其次， 将接触模型简化为最优跟 踪模型， 设计性能函数和基于部分模 型信息及状 态反馈的积分强化学习算法； 然后， 将状态观测 器与积分强化学习算法融合， 提出基于输入输出 数据的无模 型最优控制方法； 最后针对简化前的 接触模型， 将提出的算法进行修正， 应用于空间 机械臂抓捕未知目标的最优阻抗控制。 本发明能 够通过自主学习实现部分状态可测情况下的无 模型最优控制， 可用于空间机械臂抓捕非合作目 标的安全柔 顺接触控制。 权利要求书5页 说明书11页 附图3页 CN 114851193 A 2022.08.05 CN 114851193 A 1.一种空间机械臂与未知环境接触过程的智能柔顺操控方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 第一步， 根据凯恩方程与多体动力学理论， 建立空间机械臂系统 的通用动力学模型， 并 对环境接触模型进行 数学表征； 第二步， 忽略环境位置信 息， 将环境接触模型简化为一般的最优跟踪模型， 设计最优性 能函数与基于状态反馈及模型信息的积分强化学习算法； 第三步， 设计状态重构观测器， 与积分强化学习算法结合， 利用输入输出数据实现系统 的无模型最优阻抗控制； 第四步， 根据简化前的数学模型， 将第三步中提出的积分强化学习算法进行修正， 将该 算法应用于空间机 械臂的智能柔 顺操控。 2.根据权利要求1所述的空间机械臂与未知环境接触过程的智能柔顺操控方法， 其特 征在于： 所述第一 步具体实现如下： 利用凯恩方程进行多体动力学建模的一般形式可以写为： 其中 和 分别表示系统第k阶广义主动力和广义惯性力， n是系统所有广义速率写 成分量列阵形式， 分量列阵的个数， 选取空间机 械臂系统的广义速率 为： 其中， 和 分别表示基座的速度和角速度在基座本体坐标系中的分量， 表示第i个 机械臂关节的角速度。 通过凯恩方程进行规范化推导， 可以得到空间机械臂系统的动力学 模型为： 其中 为υ的导数， Η为系统全局质量阵， Fnon为系统全局非线性项， FA表示广义主动力 为： 其中F0是基座受到的推力在基座本体坐标系中的分量列阵， rb是F0作用点在基座本体 坐标系中的矢径， T0是基座受到的力矩在基座本体坐标系中的分量列阵， Ti是第i个电机转 子的驱动力矩， 0矩阵具有其对应的广义速率相容的维数； 下标 “i‑1”和“2m‑i”分别表示有 i‑1和2m‑i个0矩阵， 上标 “T”表示矩阵的转置； 对于任意三维列向量χ＝[χ1 χ2 χ3]T， 上标 “～”的定义为 其中标量 χ1、 χ2、 χ3为向量 χ 中的元 素； 对于目标位置固定的抓捕任务中， 空间机械臂末端与环境的接触力Fe的数学模型可表 征为： 式中， Ge表示环境模型的刚度系数， Ce为阻尼系数， Me为质量系数， x表示机械臂末端位权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114851193 A 2置在惯性系中的分量， 分别表示x的一阶导数和二阶导数， xe表示目标位置在惯性系 中的分量； 阻抗控制模型的表达式为： 式中， Md、 Cd、 Gd分别表示阻抗模型的期望惯量、 阻尼、 刚度参数， xd表示机械臂末端的期 望位置； 将环境模型与阻抗模型相加， 得到： 其中， f＝Gd(x‑xd)为控制输入； 取状态变量 控制输入取u＝f， 则可以得到阻抗控制模型的线性状态方程形 式： 其中 表示X的导数， re＝xe表示环境 位置输入， C＝[0 Ι ]。 3.根据权利要求1所述的空间机械臂与未知环境接触过程的智能柔顺操控方法， 其特 征在于： 所述第二 步具体实现如下： 首先忽略环境 位置re的影响， 针对一般的线性系统： 参考轨迹 通过以下轨 迹生成器产生： 其中F是常值矩阵， 用于生成轨 迹； 取性能函数为： 其中Q0≥0和R＞0分别为相应的对称权 重矩阵， γ为 折扣因子， t 表示当前时间； 然后构造增广系统的状态为 得到增广系统为： 从而性能函数 可改写为： 其中 I表示与C维数一 致的三维矩阵，权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114851193 A 3