漂浮基双臂空间机器人自主跟踪、稳定捕获与智能化操作方法研究

Free-floating dual-arm space robot has many advantages, such as humanoid, long life, and high safety in conducting extra-vehicular on-orbit services. Because of difficulties in nonholonomic constraints and uncertainties during space tasks etc., many research aspects, such as autonomous tracking, stable capture and coordinated manipulation, needs to be investigated to fulfill requirements of on-orbit services. For autonomous tracking, this project proposes a target trajectory tracking method based on generalized visual jacobian matrix in order to avoid dynamic singularity caused by nonholonomic constraints. For stable capture of the target, hybrid visual/force control based on close-lock strategy is proposed to compliantly capture the space object and suppress disturbance of the impact to the spacecrafts’ combination stability. For coordinated manipulation, an intelligent manipulation method based on deep reinforcement learning is proposed to improve the adaptability to complicated space tasks and the coordination of manipulation. A reconfigurable dexterous gripper is designed and a hybrid ground experiment platform is built to conduct typical manipulation experiment. This project can provide theoretical and experimental experience in extra-vehicular on-orbit services for free-floating dual-arm space robot. In addition, this project can offer scientific and academic values in common problems such as sensor control and intelligent learning control for nonholonomic robots.

漂浮基双臂空间机器人执行舱外在轨维护任务，具有拟人化、寿命长和安全性高等优势。但由于其具有非完整性以及空间任务不确定等难点，其自主跟踪、稳定捕获与协调操作方面还远未达到在轨维护要求，需进一步深入研究。自主跟踪方面，本项目拟提出基于增广视觉雅可比的目标轨迹跟踪方法，并解决非完整性引起的动力学奇异问题；目标稳定捕获方面，研究基于闭合-锁定策略的视觉/力混合控制，实现空间目标柔顺捕获并抑制碰撞力对组合体稳定性影响；协调操作方面，拟提出一种基于深度强化学习的智能化操作方法，提高其执行复杂不确定空间任务的适应性和操作协调性；设计一种可变构型灵巧夹持器并搭建混合地面实验系统来开展空间典型操作实验研究。本项目成果不仅可以为我国漂浮基双臂空间机器人实现舱外在轨维护任务提供理论与实验基础，而且对于类似非完整机器人的传感器伺服控制和智能学习控制等共性问题的研究，具有重要的科学意义和学术价值。

为实现漂浮基双臂空间机器人舱外执行在轨维护任务中涉及的自主跟踪、稳定捕获与协调操作任务，其基于外部传感器以及智能学习的控制技术是重要的基础和迫切解决的关键理论与技术问题。. 本项目在非合作空间目标自主跟踪，柔顺控制、智能协调操作、可变构型灵巧夹持器创新结构设计等方面开展了如下研究。空间目标自主跟踪方面，进行了非合作空间目标三维重建与运动预测研究，开展了漂浮基空间机器人逼近非合作空间目标运动规划研究，发展了基于运动状态估计的空间目标无标定视觉跟踪方法研究。空间目标柔顺捕获方面，进行了基于多优先级策略的冗余双臂机器人协调控制策略的设计；完善了基于位置/力协调的组合体紧协调控制方法。空间目标智能学习操作方面，研究了基于视觉演示学习的空间双臂机器人协调运动技能获取方法，完成了基于视觉和力演示学习的空间机械臂协调操作软件算法设计与验证工作。进行了可变构型灵巧夹持器设计、实验平台搭建与动力学补偿算法研究，并开展了机器人系统标定工作，最后对各类典型操作进行实验及分析工作。. 本项目取得如下主要成果：1）提出了一种基于运动状态估计的空间目标无标定视觉跟踪方法，可实现目标特征丢失情况下的空间机械臂无标定视觉跟踪。2）建立了基于位置/力协调的组合体紧协调控制方法，实现对抓取目标精确控制，同时保证组合体稳定。3）开展了基于视觉和力演示学习的空间机械臂智能操作研究，实现不确定性环境下双臂机器人一定程度的智能化操作，提高空间机器人执行舱外在轨维护任务的能力。. 本项目成果可以为空间机器人实现在轨维护任务提供理论与实验基础，而且对于其他机器人系统的视觉伺服控制和智能学习控制等共性问题的研究，具有重要的科学意义和学术价值，其研究成果也具有的一定的应用前景。