[發明專利]一種適用于空間機器人執行器故障下的快速姿態穩定方法

有效

• 申請號: 201710094046.8
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106708078B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 代洪華;張滕;馬川;岳曉奎;袁建平
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 齊書田

1.一種適用于空間機器人執行器故障下的快速姿態穩定方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)利用遞推法建立捕獲目標之后的空間機器人系統動力學模型；

步驟1)具體為：

將基座與慣性系的連接假設成一個六自由度虛鉸，其中三個表示轉動，三個表示平動，這樣包括基座在內的整個空間機器人系統由若干個鉸連接組成，將各個鉸坐標選取為系統廣義坐標，利用遞推型多體系統動力學建模方法，結合系統參數，建立捕獲旋轉目標之后的系統動力學模型，其表達式為：

其中，Z表示系統廣義質量陣，z表示系統廣義力向量，表示系統廣義坐標的二階導數，u表示各個鉸對應的控制力元；

廣義質量陣與廣義力向量具體表達式為：

Z＝α^T·mα+β^T·J·β

z＝α^T·(F⁰-mw)+β^T·(M⁰-J·σ-ε)+F^τq (2)

其中，α和β為系統基座與機械臂之間的鉸接方式及其上鉸點位置相關的運算表達式，m和J皆為對角矩陣，其中m對角元為各個物體質量，J對角元為各個物體在慣性系下的轉動慣量，F⁰為基座與機械臂各關節所受外力組成的列向量，M⁰為基座與機械臂各關節所受外力矩組成的列向量，w表示由于基座與機械臂各關節運動而產生的慣性力，σ和ε表示由于基座與機械臂各關節平動和轉動所引起的慣性力矩，F^τq表示各個鉸之間的約束力元；

2)對所建立的動力學模型進行變量分離，得到逆動力學模型；

3)通過對逆動力學模型進行處理得到機械臂運動與控制力矩之間的協調控制模型；

步驟2)及步驟3)具體為：

對所建立的動力學模型(1)，將控制力矩當作未知量，鉸運動規律當作已知量，進行變量替換，得到逆動力學模型，其具體表達式為：

其中，u_i表示i號鉸對應的約束力元，z_i表示i號鉸對應的廣義力分量，Z_i,j表示廣義質量陣第i行第j列元素；

對于基座而言，其所對應的鉸為基座與慣性系之間所連接的六自由度虛鉸，對應的鉸關節控制力為基座所受的外力與外力矩，相應的量在廣義力向量z中已考慮，因此u₁≡0，則此時具有式(4)：

對于式(4)，將已知量移至等式左邊，則其改寫成式(5)的形式：

Hx＝b (5)

則方程(5)對應的解為：

x＝H⁺b+(E-H⁺H)ξ (6)

式(6)即為機械臂運動與控制力矩之間的協調控制模型，其中，x表示需要確定的轉動關節角加速度，H⁺表示矩陣H的廣義逆，E表示對應維數的單位矩陣，ξ表示對應維數的任意列向量；

4)將設計的基座姿態運動角加速度與規劃的控制力矩信息輸入到協調控制模型中，最后根據基座始末狀態及平衡姿態，利用協調控制模型規劃出基座與機械臂運動軌跡。