劉陽(yáng), 謝宗武, 王濱, 劉宏, 蔡鶴皋

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)研究

劉陽(yáng), 謝宗武, 王濱, 劉宏, 蔡鶴皋

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

為了將動(dòng)力學(xué)模塊引入傳統(tǒng)的視覺(jué)伺服控制算法，使其更加符合真實(shí)模型。本文以自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服為目標(biāo)，分析了其系統(tǒng)組成與工作原理。采用廣義雅克比的方法完成其速度級(jí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并在6D 空間下分析其動(dòng)力學(xué)模型。機(jī)械臂采用PD與前饋控制完成笛卡爾空間點(diǎn)到點(diǎn)連續(xù)路徑規(guī)劃。借助雙目手眼相機(jī)完成非合作目標(biāo)位姿的提取，進(jìn)而完成視覺(jué)伺服系統(tǒng)的搭建。本文算法可將機(jī)械臂控制算法引入到空間機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)，使得機(jī)器人控制更加方便，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)搭建SimMechanics仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)期望軌跡的跟蹤，驗(yàn)證了視覺(jué)伺服算法的正確性。

空間機(jī)器人；視覺(jué)伺服；自由漂?。粍?dòng)力學(xué)；雙目視覺(jué)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，每年發(fā)射進(jìn)入太空的航天器數(shù)目在逐漸增大。UCS(union of concerned scientists)衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示[1]，截止到2016年1月1日，太空中活動(dòng)衛(wèi)星的數(shù)量為1 381，其中493顆衛(wèi)星運(yùn)行于同步地球軌道。這些活動(dòng)衛(wèi)星中大約有68%的衛(wèi)星處于不受控狀態(tài)，如廢棄衛(wèi)星、火箭殘留物以及太空垃圾[2]。每年都有衛(wèi)星由于發(fā)射失敗而無(wú)法正確進(jìn)入軌道，從而造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。此類衛(wèi)星經(jīng)過(guò)在軌維護(hù)，大多可以繼續(xù)服務(wù)。

作為主要的在軌維護(hù)設(shè)備，空間機(jī)器人能夠勝任衛(wèi)星維修、能源補(bǔ)充、貨物運(yùn)輸?shù)榷囗?xiàng)太空任務(wù)[3-8]。隨著太空任務(wù)的復(fù)雜化，宇航員的操作風(fēng)險(xiǎn)大大提高，利用空間機(jī)器人代替宇航員完成空間工作已成為當(dāng)前空間探索的新趨勢(shì)。中國(guó)將在未來(lái)五年內(nèi)建成我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的空間站，空間站各艙段之間的組裝依賴的也是空間機(jī)器人。

空間機(jī)器人是一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)之間存在著動(dòng)力學(xué)耦合[9]?？臻g微重力環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制存在很大困難，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)高、難度大。視覺(jué)伺服的引入使得空間機(jī)器人在執(zhí)行空間任務(wù)時(shí)變得智能化，能夠根據(jù)不同的環(huán)境采取不同的控制策略，從而能夠勝任更為復(fù)雜與多種多樣的空間任務(wù)。視覺(jué)伺服首先通過(guò)視覺(jué)信息獲取機(jī)器人當(dāng)前位姿與期望位姿的偏差，之后將其作為控制器的輸入來(lái)規(guī)劃各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的跟蹤捕獲任務(wù)。

研究自由漂浮空間機(jī)器人的視覺(jué)伺服系統(tǒng)既能使其具有感知空間環(huán)境的能力，同時(shí)也豐富了空間機(jī)器人系統(tǒng)建模方法。它能夠有效的提高機(jī)械臂的控制性能，使其適應(yīng)復(fù)雜多變的太空環(huán)境。根據(jù)相機(jī)數(shù)量的不同，視覺(jué)伺服可分為單目視覺(jué)伺服、雙目視覺(jué)伺服與多目視覺(jué)伺服；根據(jù)相機(jī)安放位置的不同，視覺(jué)伺服可分為手眼相機(jī)系統(tǒng)與全局相機(jī)系統(tǒng)；根據(jù)偏差信號(hào)的選擇，視覺(jué)伺服又可分為基于位置的視覺(jué)伺服、基于圖像的視覺(jué)伺服及混合視覺(jué)伺服系統(tǒng)[10]。

本文以自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服為主要研究目標(biāo)，選取基于位置的雙目手眼視覺(jué)伺服系統(tǒng)，無(wú)需合作靶標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)衛(wèi)星的位姿重建，同時(shí)回避了目標(biāo)遮擋、圖像雅克比奇異、相機(jī)回退等問(wèn)題，控制器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。假定圖像處理模塊能夠精確獲取目標(biāo)位姿信息，本文研究了自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)的組成，詳細(xì)分析了其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模。通過(guò)在基于位置的傳統(tǒng)視覺(jué)伺服算法的基礎(chǔ)上添加空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模塊，建立了自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服閉環(huán)系統(tǒng)。

1 空間機(jī)器人模型

自由漂浮空間機(jī)器人的一般模型如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可視為由衛(wèi)星基座及n自由度機(jī)械臂組成。

注：B0為空間機(jī)器人的衛(wèi)星基座，Ji為關(guān)節(jié)i，ri∈R3為連桿i的質(zhì)心位置矢量，pi∈R3為Ji的位置矢量，pe∈R3為機(jī)械臂末端的位置矢量，ai∈R3為第i個(gè)機(jī)械臂連體系與其質(zhì)心系的相對(duì)位置矢量，bi∈R3為第i個(gè)機(jī)械臂質(zhì)心系至第i+1個(gè)機(jī)械臂連體系的相對(duì)位置矢量圖1 空間機(jī)器人模型Fig.1 The general model of space robot

本文所研究的空間機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型如圖2所示，采用后置DH坐標(biāo)系對(duì)其進(jìn)行建模分析，各坐標(biāo)系方向如圖中所示，初始狀態(tài)下機(jī)械臂對(duì)應(yīng)的DH參數(shù)表如表1所示。

圖2 空間機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型Fig.2 Virtual prototyping of space robot

連桿iθi/(°)di/mmai-1/mmαi-1/(°)1000-902-45080003000-9040600090522500906010000

為分析方便，本文對(duì)空間機(jī)器人的相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)作理想化處理，同時(shí)假設(shè)初始狀態(tài)下，慣性系與基座系重合。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

自由漂浮空間機(jī)器人的末端位姿受關(guān)節(jié)角與基座姿態(tài)的共同影響。非完整約束特性又使得基座的姿態(tài)與關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)歷史相關(guān)，故對(duì)于自由漂浮空間機(jī)器人，無(wú)法通過(guò)解析法得到位置級(jí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。下面將分別從正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩方面對(duì)自由漂浮空間機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。

2.1 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

正向運(yùn)動(dòng)學(xué)是指已知空間機(jī)器人相關(guān)參數(shù)及關(guān)節(jié)角速度，求解機(jī)械臂末端的速度參數(shù)。本文采用Whitney矢量積法完成正向運(yùn)動(dòng)學(xué)建模[11]。

自由漂浮空間機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可表示為

(1)

式中：

在自由漂浮狀態(tài)下，空間機(jī)器人系統(tǒng)的線動(dòng)量與角動(dòng)量守恒。考慮整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)于其本體質(zhì)心的角動(dòng)量，并假設(shè)其初值均為零，能夠得到：

(2)

從而基座速度與關(guān)節(jié)角速度之間存在以下變換關(guān)系：

(3)

將式(3)代入式(1)，從而得到自由漂浮模式下的空間機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

(4)

2.2 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是指將空間機(jī)器人相關(guān)速度參數(shù)由笛卡爾空間轉(zhuǎn)換至關(guān)節(jié)空間，本文通過(guò)對(duì)廣義雅克比矩陣求偽逆來(lái)計(jì)算其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。

由2.1節(jié)可知：

(5)

廣義雅可比矩陣Jg(Ψ0,Θ,mi,Ii)為6×n維矩陣。當(dāng)n≠6時(shí)，無(wú)法直接對(duì)該矩陣求逆?？紤]動(dòng)力學(xué)奇異現(xiàn)象，對(duì)該矩陣的求逆操作變得更加復(fù)雜。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先對(duì)矩陣Jg進(jìn)行奇異值分解：

Jg=UDVT

(6)

式中：U∈Rm×m、V∈Rn×n為正交矩陣，D∈Rm×n是以Jg的奇異值σ從大到小排列的對(duì)角矩陣，則廣義雅克比矩陣偽逆的表達(dá)式為

(7)

式中：

此時(shí)空間機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可表示為

(8)

當(dāng)σi接近于0時(shí)，計(jì)算得到的關(guān)節(jié)角速度容易超限。針對(duì)該現(xiàn)象，定義廣義雅可比矩陣的阻尼最小方差逆：

(9)

式中:λ為阻尼系數(shù)，用來(lái)協(xié)調(diào)末端跟蹤精度及關(guān)節(jié)角速度。為減小末端跟蹤誤差，當(dāng)機(jī)械臂遠(yuǎn)離奇異構(gòu)形時(shí)，應(yīng)減小相應(yīng)的阻尼系數(shù)。則自由漂浮空間機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

(10)

3 動(dòng)力學(xué)建模

空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模是其仿真實(shí)驗(yàn)、路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。自由漂浮空間機(jī)器人處于失重狀態(tài)，是典型的無(wú)根樹(shù)系統(tǒng)。本文采用鉸接體算法完成自由漂浮空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模[12]。

鉸接體是指具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剛體通過(guò)鉸鏈組成的組合體。通過(guò)引入了6D空間矢量，鉸接體算法將牛頓方程和歐拉方程結(jié)合到一起，既使得動(dòng)力學(xué)方程變得簡(jiǎn)潔、直觀，也提高了編程效率。

3.1 正向動(dòng)力學(xué)建模

通過(guò)添加一個(gè)與慣性系相連的6自由度的虛擬鉸鏈，可將自由漂浮空間機(jī)器人等效為一個(gè)固定基座機(jī)械臂。

自由漂浮空間機(jī)器人以基座為初始端的鉸接體不受外力，則有下式成立：

(11)

進(jìn)而求得衛(wèi)星基座的加速度參數(shù)，由基座至末端機(jī)械臂逐步遞推，即可求得各關(guān)節(jié)的角加速度，算法流程圖如圖3所示。

圖3 鉸接體算法流程圖Fig.3 The flow chart of articulated-body algorithm

算法可分為以下三部分，6D空間矢量的引入使得方程表達(dá)式更為簡(jiǎn)潔，同時(shí)利用四元數(shù)來(lái)表示空間機(jī)器人基座的位姿參數(shù)以避免歐拉角奇異問(wèn)題。

1)運(yùn)動(dòng)學(xué)外推。

由基座至末端逐步計(jì)算空間機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度與偏向力：

2)動(dòng)力學(xué)內(nèi)推。

由末端至基座逐步計(jì)算空間機(jī)器人各臂桿的慣量矩陣與鉸接體偏向力：

3)角加速度外推。

由基座至末端逐步計(jì)算空間機(jī)器人衛(wèi)星基座的加速度與各關(guān)節(jié)的角加速度：

3.2 逆向動(dòng)力學(xué)建模

逆向動(dòng)力學(xué)建模是指已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角加速度，求解關(guān)節(jié)力矩的方法。本文自由漂浮空間機(jī)器人逆向動(dòng)力學(xué)建模采用的是牛頓-歐拉遞推算法，該算法是單處理器上計(jì)算效率最高的算法，其算法流程圖如圖4所示。

圖4 牛頓-歐拉算法流程圖Fig.4 The flow chart of Newton-Euler algorithm

算法可分為以下三部分：

1)運(yùn)動(dòng)學(xué)外推

由基座至末端逐步計(jì)算空間機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度、加速度與偏向力。

2)動(dòng)力學(xué)內(nèi)推

由末端至基座逐步計(jì)算空間機(jī)器人各桿件的慣量矩陣與鉸接體偏向力。

3)關(guān)節(jié)力矩外推

由基座至末端逐步計(jì)算空間機(jī)器人衛(wèi)星基座的加速度與各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力矩。

4 空間機(jī)器人路徑規(guī)劃

本文主要研究基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的空間機(jī)器人笛卡爾空間點(diǎn)到點(diǎn)直線路徑規(guī)劃。根據(jù)計(jì)算方向的不同，機(jī)器人路徑規(guī)劃可分為基于正運(yùn)動(dòng)的路徑規(guī)劃與基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的路徑規(guī)劃。基于正運(yùn)動(dòng)學(xué)的路徑規(guī)劃首先利用多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)關(guān)節(jié)軌跡進(jìn)行擬合，之后通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)得到關(guān)于末端軌跡的非線性方程組，進(jìn)而采用牛頓迭代法、遺傳算法及粒子群算法等方法完成對(duì)關(guān)節(jié)軌跡的求解?；谀孢\(yùn)動(dòng)學(xué)的路徑規(guī)劃算法通過(guò)求解機(jī)械臂末端速度，借助逆運(yùn)動(dòng)學(xué)直接求解得到關(guān)節(jié)角速度，具有計(jì)算量小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可用于實(shí)時(shí)計(jì)算。

首先假設(shè)機(jī)械臂末端初始指向偏差為

(12)

式中：nt、ot、at為旋轉(zhuǎn)矩陣表示的末端姿態(tài)。

同時(shí)假設(shè)空間機(jī)器人機(jī)械臂末端位姿軌跡：

(13)

兩端微分后得到末端速度表達(dá)式：

(14)

聯(lián)立式(10)，則規(guī)劃后的關(guān)節(jié)角速度曲線為

(15)

5 關(guān)節(jié)控制器設(shè)計(jì)

在機(jī)械臂處于低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，可忽略離心力、科氏力以及臂桿間的耦合力矩的影響，將空間機(jī)器人系統(tǒng)近似視為解耦的線性系統(tǒng)，此時(shí)可采用基于n個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)的PD控制。而當(dāng)各關(guān)節(jié)速度加快時(shí)，由于補(bǔ)償效果變差，獨(dú)立關(guān)節(jié)的PD控制的穩(wěn)定性也變差。本文采用PD與前饋控制來(lái)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)控制器，前饋?lái)?xiàng)由逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到，其控制率如下：

(16)

式中：kip表示比例增益，它能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，但同時(shí)會(huì)增大系統(tǒng)的震蕩次數(shù)。kid表示微分增益，它能夠減小系統(tǒng)的超調(diào)及調(diào)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超前控制，但同時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差。τid表示由逆動(dòng)力學(xué)算法計(jì)算得到的各關(guān)節(jié)期望力矩。

PD與前饋控制框圖如圖5所示，基于空間機(jī)器人模型的計(jì)算力矩模塊獨(dú)立于伺服回路之外，能夠以較低速率運(yùn)行，回路內(nèi)部只需計(jì)算偏差信號(hào)帶來(lái)的增益，計(jì)算量小，能以較高的伺服速率運(yùn)行。

圖5 PD與前饋控制框圖Fig.5 The PD and feedforward control

6 自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)

自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)的組成，其流程圖如圖6所示。

圖6 視覺(jué)伺服系統(tǒng)流程圖Fig.6 The visual servo system of space robot

各組成模塊分別實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)成像系統(tǒng)。

雙目手眼相機(jī)實(shí)時(shí)采集非合作目標(biāo)圖像，利用標(biāo)定好的雙目相機(jī)參數(shù)完成對(duì)雙目圖像的立體校正，使其滿足對(duì)極幾何的要求。經(jīng)過(guò)立體校正，圖像立體匹配時(shí)將由全平面的二維搜索變?yōu)檠貥O線方向的一維搜索，降低了計(jì)算量。

2)特征提取。

首先利用衛(wèi)星噴管特征實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)的粗定位，進(jìn)而提取衛(wèi)星基座邊緣的角點(diǎn)特征。為了計(jì)算非合作目標(biāo)的相對(duì)位姿，應(yīng)至少提取3組對(duì)應(yīng)的角點(diǎn)特征。經(jīng)過(guò)特征提取，圖像間的立體匹配變?yōu)榱巳舾蓚€(gè)像素點(diǎn)的匹配問(wèn)題，大大減少了特征匹配時(shí)間，使得視覺(jué)伺服算法符合空間機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的要求。

3)立體重建。

對(duì)特征提取得到的角點(diǎn)進(jìn)行立體匹配，獲取相應(yīng)的視差數(shù)據(jù)。根據(jù)三角測(cè)距原理，借助重投影矩陣完成特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算。非共線的3個(gè)空間點(diǎn)將確定唯一的圖像平面，進(jìn)而求解衛(wèi)星基座位姿。

4)PBVS控制器。

以上模塊借助雙目手眼相機(jī)完成了對(duì)非合作目標(biāo)位姿的提取，從而可將其視為一個(gè)視覺(jué)位姿傳感器，能夠?qū)崟r(shí)提供關(guān)于非合作目標(biāo)衛(wèi)星的當(dāng)前位姿數(shù)據(jù)。PBVS控制器結(jié)合目標(biāo)的期望位姿與當(dāng)前位姿規(guī)劃空間機(jī)器人機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)，輸出期望的末端速度。

5)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。

采用阻尼最小方差二乘法求解廣義雅克比矩陣的偽逆，進(jìn)而將速度由笛卡爾空間轉(zhuǎn)換至關(guān)節(jié)空間，積分后得到相應(yīng)的關(guān)節(jié)角。

6)關(guān)節(jié)控制器。

關(guān)節(jié)控制器采用PD與前饋控制算法。經(jīng)由逆向動(dòng)力學(xué)模塊計(jì)算期望的關(guān)節(jié)力矩，并將其作為控制器的前饋?lái)?xiàng)。同時(shí)利用關(guān)節(jié)傳感器采集當(dāng)前的關(guān)節(jié)角及角速度，對(duì)其采取PD控制，輸出實(shí)際的關(guān)節(jié)力矩。

7)正向動(dòng)力學(xué)。

采用鉸接體算法計(jì)算實(shí)際的關(guān)節(jié)角加速度，積分后得到實(shí)際的關(guān)節(jié)角度與角速度。

8)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)。

采用基于Whitney矢量積法的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解自由漂浮空間機(jī)器人機(jī)械臂末端的實(shí)際速度，積分后得到當(dāng)前位姿。

整個(gè)視覺(jué)伺服過(guò)程可等效為慣性系下由目標(biāo)當(dāng)前位姿到期望位姿的笛卡爾空間點(diǎn)到點(diǎn)的連續(xù)路徑規(guī)劃，其中當(dāng)前位姿由雙目手眼相機(jī)計(jì)算得到。下面，將通過(guò)如圖7所示的SimMechanics仿真模型來(lái)驗(yàn)證本文提出的自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服算法的有效性。SimMechanics是機(jī)器人建模過(guò)程中常用的仿真工具，通過(guò)搭建與系統(tǒng)等效的模塊框圖，使機(jī)器人的系統(tǒng)建模變得更加方便直觀。

圖7 空間機(jī)器人SimMechanics仿真模型Fig.7 The SimMechanics model of space robot

表2 視覺(jué)伺服系統(tǒng)參數(shù)表

圖8 空間機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度跟蹤曲線Fig.8 Comparison in attitude angle of space robot

7 結(jié)論

本文主要研究了自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)的組成。采用PD與前饋控制分析了其笛卡爾空間的點(diǎn)到點(diǎn)連續(xù)路徑規(guī)劃，通過(guò)搭建SimMechanics仿真模型，驗(yàn)證了本文算法的正確性。

1)本文提供了一種通用的自由漂浮空間機(jī)器人建模方法，但未考慮實(shí)際環(huán)境下視覺(jué)算法時(shí)延的影響；

2)在傳統(tǒng)的基于位置的視覺(jué)伺服算法的基礎(chǔ)上添加空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模塊，更貼合實(shí)際模型；

3)通過(guò)調(diào)整關(guān)節(jié)控制器，還可將各種機(jī)器人控制算法引入視覺(jué)伺服過(guò)程中去，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

此外，本文僅以點(diǎn)到點(diǎn)的路徑規(guī)劃為例分析了閉環(huán)系統(tǒng)的組成，后續(xù)工作中應(yīng)分析不同路徑規(guī)劃以及機(jī)械臂奇異構(gòu)型時(shí)對(duì)視覺(jué)伺服系統(tǒng)帶來(lái)的影響，進(jìn)一步擴(kuò)展其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Research on the visual servo system of a free-floating space robot

LIU Yang，XIE Zongwu，WANG Bin，LIU Hong，CAI Hegao

(State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In order to add the dynamic model of the space robot to the traditional visual servo algorithm and enhance the authenticity of the simulation system, this paper analyzes the composition and principle of a free-floating space robot, focusing on its visual servo system. Generalized Jacobian matrix was used to complete kinematic model of the free-floating space robot, and the dynamics model was discussed under the condition of 6D spatial vector. Based on PD and feedforward control, the path planning of the robot was programmed in Cartesian space. A binocular hand-eye camera system was built to extract the pose of the non-cooperative satellite which further used to complete the visual servo system. Various robot control algorithms can be introduced to the visual servo system that makes it more convenient and takes advantage of simple mechanism with low cost. By building a SimMechanics model, the expected trajectory had been tracked successfully which proved the visual servo system right.

space robot; visual servo; free-floating; dynamics; binocular vision

2016-05-09.

日期： 2016-11-16.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB733105).

劉陽(yáng)(1990-), 男, 博士研究生； 謝宗武(1973-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師; 王濱(1973-), 男, 副教授; 劉宏(1966-),男,教授，博士生導(dǎo)師，“長(zhǎng)江學(xué)者計(jì)劃”特聘教授; 蔡鶴皋(1934-), 男, 教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)工程院院士.

王濱，E-mail:wbhit@hit.edu.cn.

10.11990/jheu.201605027

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20161116.1613.002.html

TP242.3

A

1006-7043(2017)02-0153-07

劉陽(yáng), 謝宗武, 王濱, 等. 自由漂浮空間機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017, 38(2): 153-159. LIU Yang，XIE Zongwu，WANG Bin， et al. Research on the visual servo system of a free-floating space robot[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(2): 153-159.