[發明專利]一種空間機器人末端接觸碰撞力計算方法

有效

• 申請號: 201710700714.7
• 申請日: 2017-08-16
• 公開（公告）號: CN107609222B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 張海博;何英姿;魏春嶺;魏承;王勇;徐拴鋒
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發明公開了一種空間機器人末端接觸碰撞力計算方法，該方法包括如下步驟：將捕獲裝置及被捕獲裝置的機械設計三維CAD模型進行簡化；對建立的捕獲裝置及被捕獲裝置的三角片元化模型進行特征幾何要素的提取；根據捕獲裝置及被捕獲裝置的幾何特征模型得到捕獲裝置及被捕獲裝置的碰撞點位置及嵌入深度量；建立捕獲裝置和被捕獲裝置的碰撞模型；通過碰撞嵌入量和碰撞嵌入速度得到碰撞力；通過碰撞點嵌入速度的切向速度、碰撞力和摩擦系數得到接觸摩擦力；結合碰撞力和接觸摩擦力得到碰撞力模型。本發明針對不規則的目標幾何構型，提供了簡化幾何特征的高效碰撞檢測方法，為機械臂關節承載以及捕獲控制方案仿真驗證工作提供支撐。

技術領域

本發明屬于空間機器人在軌維修維護領域，涉及一種空間機器人末端接觸碰撞力計算方法，適用于對空間故障衛星、大型碎片等空間非合作目標的抓捕操作。

背景技術

在空間機器人末端夾持工具對目標星箭對接環捕獲過程中，夾持工具與星箭對接環將不可避免的發生碰撞沖擊，而且兩體在碰撞過程中呈現出滑動摩擦，剛性碰撞及分離等多種運動形式，使得捕獲過程中的動力學行為較為復雜，同時也影響到捕獲任務的成敗。另一方面，直接的碰撞會導致機械臂或目標損壞，為時限高品質的操作控制，必須將接觸力的信息引入控制閉環，使得接觸力控制在允許范圍之內，以完成柔順捕獲。現有利用地面試驗獲得兩者的碰撞信息，一是試驗的復雜程度大，二是試驗的重復可操作性差。

發明內容

本發明所解決的問題是：克服現有技術不足，提供了一種空間機器人末端接觸碰撞力計算方法，針對不規則的目標幾何構型，提供了簡化幾何特征的高效碰撞檢測方法，根據碰撞兩體的材料特性及幾何特征，并建立工程適用的碰撞力模型，進行碰撞力計算，為機械臂關節承載以及捕獲控制方案仿真驗證工作提供支撐。

本發明的技術解決方案是：一種空間機器人末端接觸碰撞力計算方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1：將捕獲裝置及被捕獲裝置的機械設計三維CAD模型進行簡化，基于簡化模型對捕獲裝置及被捕獲裝置的表面建立三角片元化模型；

步驟2：對建立的捕獲裝置及被捕獲裝置的三角片元化模型進行特征幾何要素的提取，對捕獲裝置及被捕獲裝置發生碰撞區域的點、線、面特征標定及提取，建立能夠用于快速碰撞檢測的捕獲裝置及被捕獲裝置的幾何特征模型；

步驟3：根據捕獲裝置及被捕獲裝置的幾何特征模型，采用沿坐標軸的包圍盒AABB碰撞檢測算法對捕獲裝置和被捕獲裝置進行碰撞檢測，從而得到捕獲裝置及被捕獲裝置的碰撞點位置及嵌入深度量；

步驟4：由捕獲裝置及被捕獲裝置的碰撞點位置及嵌入深度量，建立捕獲裝置和被捕獲裝置的碰撞模型；

步驟5：根據捕獲裝置和被捕獲裝置的碰撞模型，通過碰撞嵌入量和碰撞嵌入速度得到碰撞力；

步驟6：根據捕獲裝置及被捕獲裝置的碰撞模型，通過碰撞點嵌入速度的切向速度、碰撞力和摩擦系數得到接觸摩擦力；

步驟7：結合步驟5中的碰撞力和步驟6中的接觸摩擦力得到碰撞力模型。

上述空間機器人末端接觸碰撞力計算方法中，在所述步驟1中，三角片元為根據一個表面上的相鄰三個節點的坐標定義一個三角片。

上述空間機器人末端接觸碰撞力計算方法中，在所述步驟2中，特征幾何要素包括點、線和面。