[發(fā)明專利]一種空間機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)模型的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710488319.7
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號(hào): CN107529630B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅建軍;周逸群;王明明;袁建平;朱戰(zhàn)霞
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發(fā)明公開了一種空間機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)模型的方法，具體步驟包括使用空間向量表示空間機(jī)器人的空間速度和空間力，建立空間機(jī)器人的幾何模型和關(guān)節(jié)模型；建立空間機(jī)器人的逆動(dòng)力學(xué)方程和正動(dòng)力學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上建立空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程；對(duì)空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行簡化；具體的包括對(duì)空間機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)和力向量的叉乘算子表示，使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示空間機(jī)器人的空間速度。該方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中將空間機(jī)器人的角運(yùn)動(dòng)與線運(yùn)動(dòng)分別處理，且需要考慮空間機(jī)器人機(jī)器臂的不同關(guān)節(jié)類型問題，導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜度高，且方法只能適用于特定類型的空間機(jī)器人，不具有廣泛適用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的建模；具體涉及一種空間機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)模型的方法； 具體的是一種使用空間向量的空間多臂機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模方法。

背景技術(shù)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間機(jī)器人越來越受到各國重視，它能代替航天員從事危險(xiǎn)的艙外 工作，并將在建造空間站、清理太空垃圾等方面發(fā)揮重要作用。空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)研究從上 世紀(jì)七八十年代興起至今，已經(jīng)取得很大進(jìn)展。

空間機(jī)器人是一個(gè)典型的多體系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)建模主要研究驅(qū)動(dòng)力與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，包 括逆動(dòng)力學(xué)(由關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況確定驅(qū)動(dòng)力/力矩)和正動(dòng)力學(xué)(由驅(qū)動(dòng)力/力矩確定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情 況)兩個(gè)方面。其中，逆動(dòng)力學(xué)主要用于反饋控制，正動(dòng)力學(xué)主要用于仿真。一般拉格朗日方 程的算法復(fù)雜度為O(N⁴)(N為機(jī)械臂連桿數(shù))，如何降低算法復(fù)雜度是動(dòng)力學(xué)算法主要的研 究課題之一。

在逆動(dòng)力學(xué)方面，最早提出的O(N)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(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系上，使得這一算法更高效。Luh，Walker和 Paul將遞歸關(guān)系應(yīng)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(shù)參 數(shù)同連桿坐標(biāo)系固聯(lián)，這也是目前被引用最多的方法。

在正動(dòng)力學(xué)方面，Walker和Orin以RNEA為基礎(chǔ)提出組合體算法(CRBA)，計(jì)算機(jī)械臂外 端組合體的慣性參數(shù)。他們假設(shè)所有關(guān)節(jié)速度為零，僅將一個(gè)單位加速度施加于某一關(guān)節(jié)上， 連續(xù)運(yùn)用逆動(dòng)力學(xué)，使慣性矩陣的計(jì)算十分高效。由于在某一時(shí)刻僅有一個(gè)關(guān)節(jié)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 模型簡化為由靜止的基座項(xiàng)和運(yùn)動(dòng)的外端復(fù)合剛體組成的單自由度系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)器人自由度較小 時(shí)，該算法的計(jì)算效率較高。Featherstone提出并發(fā)展的鉸接體算法(ABA)是最早的1階算法， 當(dāng)機(jī)器人自由度較大時(shí)，ABA比CRBA更高效。正動(dòng)力學(xué)的計(jì)算效率與慣性矩陣的計(jì)算緊密 相關(guān)，Lilly和Orin提出過四種計(jì)算慣性矩陣的方法，其中改進(jìn)的組合體算法是最高效的。

一般在推導(dǎo)空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程時(shí)將與角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)有關(guān)的公式分別處理，這樣公式 復(fù)雜且需考慮不同關(guān)節(jié)類型的情況。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種空間機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)模型的方法；解決了現(xiàn)有技術(shù)中將空間機(jī)器人的 角運(yùn)動(dòng)與線運(yùn)動(dòng)分別處理，且需要考慮空間機(jī)器人機(jī)器臂的不同關(guān)節(jié)類型問題，導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜 度高，且方法只能適用于特定類型的空間機(jī)器人，不具有廣泛適用性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種空間機(jī)器人建立動(dòng)力學(xué)模型的方法，包括以下步驟：

步驟1，使用空間向量表示空間機(jī)器人的空間速度和空間力，建立空間機(jī)器人的幾何模型 和關(guān)節(jié)模型；具體的使用運(yùn)動(dòng)學(xué)樹對(duì)空間機(jī)器人進(jìn)行拓?fù)浔硎荆褂脠D論方法描述空間機(jī)器人 的幾何模型；

步驟2，建立空間機(jī)器人的逆動(dòng)力學(xué)方程和正動(dòng)力學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上建立空間機(jī)器人 的動(dòng)力學(xué)方程；

步驟3，對(duì)空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行簡化；具體的包括對(duì)空間機(jī)器人使用空間運(yùn)動(dòng)和 力向量表示，使用特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示空間向量。

更進(jìn)一步的，本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

其中步驟1中對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)建立關(guān)節(jié)模型。