[發明專利]一種空間機器人建立動力學模型的方法

有效

• 申請號: 201710488319.7
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107529630B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 羅建軍;周逸群;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: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 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

1.一種空間機器人建立動力學模型的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，使用空間向量表示空間機器人的空間速度和空間力，建立空間機器人的幾何模型和關節模型；具體的使用運動學樹對空間機器人進行拓撲表示，使用圖論方法描述空間機器人的幾何模型；

所述步驟1中對旋轉關節建立關節模型；

所述步驟1中對平移關節建立關節模型；

建立空間機器人的幾何模型：空間機器人的連接關系用無向連通圖來表示；在連通圖中，結點表示剛體，連線表示關節；若機器人為運動學樹(kinematic tree)形式，連通圖即為拓撲樹形式；此外用數組來表示連接關系，λ(i)表示連桿i的母桿，μ(i)表示連桿i的子桿，κ(i)表示連桿i的與基座間的所有關節，ν(i)表示以連桿i為根的子樹；

描述幾何模型需要一系列坐標系的定位；關節i連接著子桿μ(i)和母桿λ(i)，這里將兩個坐標系分別固聯在關節兩端，固聯在子桿μ(i)上的為坐標系F_i，固聯在母桿λ(i)上的為坐標系F_λ(i),i；特別定義坐標系F₀為固聯在基座上的坐標系，一個N自由度的機器人上共定義了2N+1個坐標系，其中N+1個形式為F_i，N個形式為F_λ(i),i，定義坐標系F_i為連桿i的體坐標系；

定義關節i兩端的坐標轉換矩陣為X_J(i)，該矩陣是關節變量q_i的函數；定義X_T(i)為坐標系F_λ(i)到F_λ(i),i的轉換矩陣，且為常值矩陣；令ⁱX_λ(i)為母桿λ(i)到連桿i的坐標轉換矩陣，得到ⁱX_λ(i)＝X_J(i)X_T(i)；

建立空間機器人的關節模型：建立旋轉關節的關節模型，對于旋轉關節i，當產生變量q_i時，相當于坐標系F_i繞z軸相對坐標系F_λ(i),i轉動了角度q_i；其旋轉矩陣和原點位移分別為和r＝[0 0 0]^T；

建立平移關節的關節模型，對于平移關節i，當產生變量q_i時，相當于坐標系F_i沿z軸相對坐標系F_λ(i),i平移了距離q_i；其旋轉矩陣和原點位移分別為E＝1_3×3和r＝[00q_i]^T；

步驟2，建立空間機器人的逆動力學方程和正動力學方程，并在此基礎上建立空間機器人的動力學方程；

步驟3，對空間機器人的動力學方程進行簡化；具體的包括對空間機器人使用空間運動和力向量表示，使用特殊數據結構表示空間向量；

用υ_1:3和υ_4:6分別表示空間速度υ的前三項和后三項，則對空間運動向量的叉乘算子為：通過數據結構mv表示由三維角速度ω和線速度υ組成的空間速度，得到空間速度υ₁和空間速度υ₂的叉乘為：

其元算法的計算次數為36m+24a，m表示一次標量乘法計算，a表示一次標量加法計算。

2.根據權利要求1所述的空間機器人建立動力學模型的方法，其特征在于，所述步驟2中基于遞歸牛頓-歐拉算法建立空間機器人的逆動力學方程，獲取空間機器人的偏差力C。

3.根據權利要求1所述的空間機器人建立動力學模型的方法，其特征在于，所述步驟2中基于組合體算法建立空間機器人的正動力學方程，獲取空間機器人的慣量矩陣H。

4.根據權利要求2-3任意一項所述的空間機器人建立動力學模型的方法，其特征在于，所述步驟2中在忽略重力影響下，基于拉格朗日力學建立空間機器人的運動學方程，獲取空間機器人的加速度。

5.根據權利要求1所述的空間機器人建立動力學模型的方法，其特征在于，所述該方法用于空間站機械臂或太空垃圾的清理。