[發明專利]一種空間機器人抓捕非合作目標的方法

有效

• 申請號: 201710487388.6
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107529498B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 羅建軍;周逸群;王明明;袁建平;朱戰霞;寧昕
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B64G4/00
• 分類號: B64G4/00;B25J9/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發明公開了一種空間機器人抓捕非合作目標的方法，包括：對空間機器人使用拓撲表示，并且建立空間機器人的幾何模型和關節模型；基于遞歸牛頓?歐拉算法建立空間機器人的逆動力學模型，基于組合體算法建立空間機器人的正動力學模型，基于拉格朗日力學算法建立空間機器人的動力學模型；空間機器人與非合作目標組合體構成閉環系統，并建立其閉環動力學模型，完成空間機器人對非合作目標的抓捕。該方法基于空間向量、多體動力學和矩陣理論，實現了空間機器人關節變量及機械臂末端力的聯立求解，能夠適用于多種構型的開或閉環機器人系統。

技術領域

本發明屬于空間機器人控制技術領域；具體涉及一種空間機器人抓捕非合作目標的方法。

背景技術

空間機器人是一個典型的多體系統，其動力學建模主要研究驅動力與關節運動的關系，包 括逆動力學(由關節運動情況確定驅動力/力矩)和正動力學(由驅動力/力矩確定關節運動情 況)兩個方面。其中，逆動力學主要用于反饋控制，正動力學主要用于仿真。一般拉格朗日方 程的算法復雜度(為機械臂連桿數)，及如何降低該算法復雜度是正動力學算法主要的研究課 題之一。

在逆動力學方面，最早提出的階算法是Stepanenko和Vukobratovic提出的牛頓-歐拉方程 (NE)。Orin通過將力/力矩表示在當地坐標系上，使得這一算法更高效。Luh，Walker和Paul 將遞歸關系應用于NE，提出了一種非常高效的遞歸牛頓-歐拉算法(RNEA)，將大多數參數同 連桿坐標系固聯，這也是目前被引用最多的方法。

在正動力學方面，Walker和Orin以RNEA為基礎提出組合體算法(CRBA)，計算機械臂外 端組合體的慣性參數。他們假設所有關節速度為零，僅將一個單位加速度施加于某一關節上， 連續運用逆動力學，提高了慣性矩陣的計算效率。由于在某一時刻僅有一個關節處于運動狀態， 模型簡化為由靜止的基座項和運動的外端復合剛體組成的單自由度系統。當機器人自由度較小 時，該算法的計算效率較高。Featherstone提出并發展的鉸接體算法(ABA)是最早的1階算法， 當機器人自由度較大時，ABA比CRBA更高效。正動力學的計算效率與慣性矩陣的計算緊密 相關，Lilly和Orin提出過四種計算慣性矩陣的方法，其中改進的組合體算法是最高效的。

以上研究均是針對一般的開環空間機器人。對于帶有閉環的機器人動力學，國內外的研究 還不深入。Featherstone曾研究通用的閉環系統動力學，他將機器人關節分為樹關節和環關節， 環關節視為施加于開環系統的約束條件，通過建立約束方程并與原動力學方程聯立，獲得閉環 系統動力學方程。該方法針對不同的構型的機器人系統，理論上可同時解得關節運動情況及約 束力，但在實際中經增廣的慣量矩陣可能奇異，這意味著某些約束力可能是不定的。此外，對 適用于空間機器人抓捕系統的閉環動力學的研究，一般的做法是分別建立機器人和目標的動力 學方程，并通過末端接觸力聯系起來。這些研究大多只針對特定構型的機器人系統，不具有廣 泛性。

現有的空間機器人對非合作目標的抓捕是空間機器人目前的主要課題之一。與單臂抓捕系 統相比，多臂抓捕系統具有穩定性好、可靠性高等優點。多條機械臂抓住同一目標后，空間機 器人與目標便會構成閉環系統，與一般開環形式的空間機器人相比，帶有閉環的機器人系統會 具有一些完全不同的動力學特性。例如，閉環系統的自由度在不同的構型下不同，某些剛體間 作用力具有不確定性。目前對于帶有閉環的機器人動力學，國內外的研究還不多，且主要關注 某種特定構型的空間機器人，不具有廣泛性。

針對以上問題，本發明基于多臂空間機器人抓捕非合作目標的任務需求，建立能適用于不 同構型、開環或閉環機器人系統的動力學模型。

發明內容

本發明提供了一種空間機器人抓捕非合作目標的方法；該方法基于空間向量、多體動力學 和矩陣理論，實現了空間機器人關節變量及機械臂末端力的聯立求解，能夠適用于多種構型的 開或閉環機器人系統。

本發明的技術方案是：一種空間機器人抓捕非合作目標的方法，包括以下步驟：