考虑底座反作用的自由漂浮双臂太空机器人轨迹规划与安全执行

《Advances in Space Research》：Base-Reaction-Aware Trajectory Planning and Safe Execution for a Free-Floating Dual-Arm Space Robot

　　

摘要

自由浮动双臂太空机器人可以支持灵巧的在轨捕获、服务和接触前操作，但操作臂的运动与被动航天器基座之间存在强烈耦合。这种耦合可能引发不期望的基座平移和姿态运动，而许多规划流程要么在路径生成后评估这些反作用，要么在树扩展过程中忽略它们。本文提出了一种面向模块化自由浮动双臂太空机器人的基座反作用感知规划与安全执行框架。动量一致的动力学耦合模型定义了一个混合位置-姿态基座反作用代理。该代理被嵌入到BA-Tree-BiRRT规划器的到来成本评估中，用于父节点选择和最近锚点选择。所选引导路径随后通过候选筛选和时域参数化转化为保引导的钳位三次B样条参考轨迹。速度级QP-CBF控制器跟踪已接受的参考轨迹，同时强制执行关节限制、避障、防自碰撞和避奇异约束。在基座反作用基准测试和六种障碍物布局的仿真中，所提出的变体在两种规划器均成功的运行中，降低了轨迹执行过程中引发的基座反作用，同时保持了已接受参考轨迹的可行跟踪。这一改进伴随着约束场景中更高的规划开销。这些结果支持将动量一致的反作用预测作为自由浮动在轨操作离线或预执行设置中扰动感知轨迹规划的局部树生长准则。

引言

在轨服务、主动碎片清除、目标捕获和空间装配需要机器人系统能够在近距微重力环境中安全运行（Sun等，2025；Xue等，2021；Wang等，2026；Chen等，2026；Fallahiarezoodar和Zhu，2025）。双臂和多臂太空机器人非常适合这些任务，因为它们提供了协作操作能力、灵活的任务几何构型和比单臂操作器更高的灵巧性（Wang等，2022；Zhao等，2024；Hu等，2025）。本研究聚焦于接触前接近和位姿约束到达阶段。在该阶段中，两臂必须接近预设的任务构型，同时保持障碍物安全距离、自碰撞安全距离，并将向航天器基座的运动传递限制在有限范围内。因此，该规划问题并非纯粹是几何问题。手臂运动还会通过自由浮动动力学耦合改变被动基座状态。

自由浮动太空机器人的轨迹规划与固定基座操作器规划有所不同。在没有主动基座驱动的情况下，线动量和角动量守恒将关节速度与基座平移和姿态运动耦合在一起。广义雅可比矩阵公式提供了一种标准方法，用于消除被动基座速度并描述自由浮动操作器的末端执行器运动（Umetani和Yoshida，1989）。关于动力学奇异性和基座-操作器耦合的研究进一步表明，基座响应不能被当作次要的显示量来对待（Papadopoulos和Dubowsky，1993）。最近的综述文章将自主规划、协调控制和系统级安全确定为太空操作器的开放技术问题（Xue和Liu，2022；Chen等，2026；Fallahiarezoodar和Zhu，2025）。类似的耦合也出现在更广泛的捕获和碎片清除系统中，其中结构和惯性相互作用影响预测的运动响应（Yu等，2026）。对于双臂机器人，由于两臂可能同时为任务运动、避障和基座反作用做出贡献，难度进一步加大（Hong等，2022；Ni等，2022；Yan等，2022）。

现有的轨迹规划研究通过优化、补偿和基于采样的搜索来减少基座扰动。基于优化的方法已被用于减少基座姿态扰动、满足避障约束或在操作后恢复基座姿态（Zhou等，2022；Ni等，2022；Xie等，2022）。其他工作通过扰动映射、人工势场引导和平衡臂补偿考虑了目标捕获和障碍物环境（Xue等，2023；Hong等，2024）。包括BiRRT和RRT*变体在内的基于采样的规划器也被应用于自由浮动操作器的无碰撞规划以及末端执行器轨迹、奇异裕度和平滑度的多层优化（Rybus等，2022；Liu等，2025；Orthey等，2024）。基于学习的方法为非合作目标规划和无障引导提供了另一条路径（Wu等，2020；Li等，2021；Wang等，2022；Lam和Chhabra，2025）。这些研究表明感知耦合的规划是必要的，但它们并未完全解决如何在双向树生长过程中使用动量一致的基座反作用估计。特别是，仅在找到路径后才使用这种反作用估计，或仅将其作为独立的补偿目标，并不能让该估计影响决定最终搜索拓扑的局部父节点和生长锚点决策。

第二个难点是从采样路径到可执行轨迹的过渡。RRT类规划器通常返回带有尖角转弯、不均匀路点间距和局部几何伪影的离散路径。基于样条的轨迹表示被广泛用于获取可微分的机器人轨迹（de Boor，1978；Piegl和Tiller，1997；Li等，2021）。然而，直接平滑可能扭曲所选引导路径并改变使其有价值的基座反作用特征。对于自由浮动双臂机器人，参考轨迹生成必须在保留低反作用引导的同时，拒绝违反关节限制、安全距离、奇异或反作用相关筛选标准的候选。执行层随后跟踪已接受的参考轨迹，同时维持关节限制、避障、防自碰撞和避奇异约束。QP和控制障碍函数公式提供了一种在控制中系统编码此类安全约束的方法（Ames等，2017；Ames等，2019；Thirugnanam等，2022；Dai等，2023）。它们仍然需要一个已经检查过平滑引导是否可行的参考轨迹生成阶段。

本文开发了一种面向模块化自由浮动双臂太空机器人的基座反作用感知规划与安全执行框架。核心思想是在最终路径获得之前将基座反作用用作树生长准则，而不是仅在规划后评估。动量一致的动力学耦合模型首先定义了一个混合位置-姿态基座反作用代理。该代理被嵌入到BA-Tree-BiRRT规划器的到来成本评估中，用于父节点选择和最近锚点选择。所选引导路径随后通过候选筛选转化为带时域参数化的钳位三次B样条参考轨迹。最后，速度级QP-CBF控制器跟踪已接受的参考轨迹，同时强制执行跟踪、运动学、避碰撞和奇异相关约束。该框架在S2基座反作用基准测试和六种源自S1的障碍物布局中进行评估，分别报告全种子可行统计和配对反作用比较。

主要贡献如下。第一，将动量一致的基座反作用代理集成到模块化自由浮动双臂太空机器人的双向采样规划器的局部决策过程中。第二，所提出的BA-Tree-BiRRT规划器使父节点选择和最近锚点选择均具备基座反作用感知能力，将其贡献与仅基于长度的BiRRT基线以及仅基于父节点的消融实验区分开来。第三，候选筛选的保引导参考轨迹生成程序将所选引导路径转化为钳位三次B样条参考轨迹，同时保留参考轨迹接受信息。第四，速度级QP-CBF执行层跟踪已接受的参考轨迹并报告物理安全裕度、松弛值和CBF违反量。评估报告了反作用降低的收益及其在规划时间和参考轨迹接受率上的代价，并将范围限定为接触前自由浮动操作的离线或预执行规划。

章节摘要

系统建模

本文考虑的机器人由一个规则六边形浮动基座和安装在所选基座面上的两个模块化操作臂组成。图1总结了简化模型，包括惯性坐标系、基座坐标系、两个安装坐标系和带臂索引的关节表示法。图中使用通用表示法 q_a = [q_a,1, …, q_a,n]^? 表示第 a 臂；在仿真平台中，每条臂有六个旋转关节，因此 n = 6。

模型保持在规划和执行链所需的层级：

所提方法

该方法接收一个可行的起点-终点对 (q_s, q_g)，并返回一条动力学感知的、平滑的且可安全执行的关节轨迹。在所报告的仿真中，任务级逆运动学预处理步骤提供 (q_s, q_g)。规划在该对通过关节限制、安全距离和奇异检查后开始。当前的公式处理的是自由浮动双臂操作中接触前接近和位姿约束到达阶段。接触动力学，

仿真研究

仿真围绕上述引入的三个算法层展开：基座反作用感知的树生长、保引导的B样条参考轨迹生成和QP-CBF安全执行。每层需要不同类型的证据。因此，评估将全种子可行统计与配对基座反作用比较分开报告。规划器成功、参考轨迹接受、完整执行成功和失败原因使用所有尝试的种子报告。基座反作用降低情况

结论

本文提出了一种面向模块化双臂自由浮动太空机器人的基座反作用感知规划与安全执行框架。核心思想是在双向树生长过程中使用动量一致的基座反作用预测，而不是仅在获得无碰撞路径后才评估基座反作用。所生成的BA-Tree-BiRRT规划器将混合位置-姿态代理应用于父节点选择和最近锚点选择，所选引导路径随后被转化为

未引用参考文献

Xue等（2025a）

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

周士祥 | 刘金国 | 高宏伟 | 薛智辉