[發明專利]空間機器人由末端執行器向基座的動力學建模方法

有效

• 申請號: 201710331077.0
• 申請日: 2017-05-11
• 公開（公告）號: CN107169196B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 羅建軍;宗立軍;王明明;袁建平;朱戰霞
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發明公開了一種空間機器人由末端執行器向基座的動力學建模方法，包括定義了代表基座、末端執行器和各連桿的本體坐標系，使空間機器人系統具有對稱性；推導和建立了空間機器人由末端執行器向基座建模方式下的動力學模型；建立了得到的新模型中控制輸入與傳統由基座向末端執行器動力學建模下控制輸入的關系；最后通過在實例下對比新模型和傳統模型的作用效果驗證了本發明提出的方法的有效性。本發明得到的動力學方程以末端執行器的線/角速度和各關節的轉速作為廣義變量。動力學方程中直接包含末端執行器的運動變量，因而更方便在其基礎上設計空間機器人末端執行器相關任務的控制方法。

技術領域

本發明涉及一種空間機器人動力學建模方法，特別涉及一種空間機器人由末端執行器向基座的動力學建模方法。

背景技術

空間機器人具備執行在軌航天器維修、空間碎片清理等精細空間任務的能力，因而自20世紀90年代中期開始研究，至今不斷引起各航天大國及研究人員的關注。與地面機械臂不同，由于基座航天器在空間微重力環境中自由漂浮，機械臂運動對基座產生的反作用力可能會引起基座位置和姿態的顯著變化，而基座的運動反過來又會影響機械臂的運動，稱之為基座和機械臂的動力學耦合作用。這種動力學耦合作用使得與地面機械臂相比，空間機器人的動力學建模難度顯著增大。

如果忽略連桿的柔性效應，空間機器人系統可以視為多剛體系統。多剛體系統動力學建模依據原理大致可以分為基于牛頓-歐拉法和基于第二類拉格朗日方程法。其中，牛頓歐拉法下需要將系統的各個組成部分視為獨立的剛體，分別進行受力分析。而在基于拉格朗日方程下，多剛體組成的對象被視為完整的系統，通過計算系統的動能和勢能之和，并代入第二類拉格朗日方程就可得到系統的動力學方程。對于空間機器人系統，由于系統不受重力作用，因此系統的勢能為零，結合動能定理和第二類拉格朗日方程，就可以得到系統的動力學模型。這種建模方法原理清晰，反映了空間機器人的動力學特性，因而已成為大部分空間機器人研究文獻中選擇的建模方法。同時，方程中包含的與速度相關的非線性項涉及對系統慣性矩陣求導，很難直接給出解析的表達式，因而該項常常利用遞推牛頓-歐拉方法數值計算獲得。目前，基于動能定理、拉格朗日方程和遞推牛頓-歐拉法的框架建立空間機器人系統的動力學方程已經很成熟并被廣泛使用。然而需要指出的是，該方程由基座向末端執行器推導得到，即每個連桿的速度被表示為基座速度和基座與該連桿間各關節角速度的組合，因而動力學方程中包含的廣義坐標為基座速度和各關節角速度。另一方面，空間機器人的控制任務大多涉及末端執行器跟蹤期望軌跡，因為現有動力學方程中不包含末端執行器的運動變量，因而在已有的大多數空間機器人控制方法研究中，需要借助逆運動學將末端執行器的任務分解到各個關節，在關節空間下設計控制方法。本發明中，基于空間機器人系統沒有固定基座，同樣可以將末端執行器視為系統“基座”的思想，進行系統由末端執行器向基座建模，得到的動力學方程中將直接包含末端執行器的運動變量，從而有助于簡化空間機器人控制方法的研究。

發明內容

針對空間機器人現有動力學模型不利于設計空間機器人末端執行器控制方法的問題，提出一種空間機器人由末端執行器向基座航天器建模的動力學建模方法，使得動力學模型中包含末端執行器的運動狀態變量，從而不需要進行逆運動學求解，可以直接針對末端執行器的運動狀態設計控制律。

本發明提出了一種空間機器人的動力學建模方法，包括定義了代表基座、末端執行器和各連桿的本體坐標系，使空間機器人系統具有對稱性；推導和建立了空間機器人由末端執行器向基座建模方式下的動力學模型；建立了得到的新模型中控制輸入與傳統由基座向末端執行器動力學建模下控制輸入的關系；最后通過在實例下對比新模型和傳統模型的作用效果驗證了本發明提出的方法的有效性。該發明的實施主要包括以下三個步驟：

步驟一、定義空間機器人基座、末端執行器和各連桿本體坐標系。