[發明專利]空間機械臂抓捕非合作目標的多面體碰撞動力學分析方法

有效

• 申請號: 201710861285.1
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107520844B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 羅建軍;許若男;王明明;袁建平;朱戰霞;羅成
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李宏德

本發明一種空間機械臂抓捕非合作目標的多面體碰撞動力學分析方法，包括如下步驟：步驟1，建立空間機械臂的動力學模型；步驟2，將空間機械臂的末端表示為多個多面體的組合，將非合作目標表示為一個多面體；依次將表示空間機械臂末端的多個多面體對表示非合作目標的一個多面體進行碰撞檢測，檢測兩個不同多面體是否碰撞；若無碰撞則重復步驟2，若有碰撞則檢測兩個不同多面體的碰撞交點；步驟3，根據兩個不同多面體的碰撞交點，通過非線性阻尼模型對空間機械臂抓捕非合作目標過程中的碰撞力進行求解；步驟4，將碰撞力代入到動力學方程中得到抓捕過程中的碰撞響應。本發明設計合理，實施簡單，分析計算保真度高，更加接近實際情況。

技術領域

本發明涉及空間機器人的碰撞動力學求解分析，具體為一種空間機械臂抓捕非合作目標的多面體碰撞動力學分析方法。

背景技術

碰撞是一種復雜的物理現象，發生在兩個或多個物體相碰時。碰撞過程具有瞬時性，伴隨著巨大的碰撞力和快速的能量消耗，同時出現大的加速及減速運動。在機械系統的分析與設計中這一現象必須被考慮。

到目前為止，已經有很多文獻對接觸動力學模型進行了研究，可以被分為兩類：離散和連續模型。離散方法，也稱為沖量-動量法，假定碰撞過程中的接觸力持續時間極短碰撞體的布局沒有發生變化。動力學分析分為兩個階段：碰撞前和碰撞后，通過模型可以給出碰撞后物體的運動狀態。一般用于剛體碰撞分析，很難用于柔性體或多點接觸和間歇接觸。連續方法，是基于相互作用力以一種連續方式作用。通過建立接觸力模型求解得到連續的接觸力，在碰撞階段將接觸力添加到運動方程來分析碰撞響應。這種方法可以更好的描述摩擦建模的真實行為。

已有很多不同的模型用于描述兩個接觸體表面的相互作用力。第一個模型是由Hertz提出的，采用了一種彈性理論用于計算局部嵌入深度，沒有使用阻尼。嵌入深度與接觸力的關系是非線性的。最初且最簡單的阻尼模型是彈簧-阻尼模型，由一個線性彈簧-阻尼元件來描述接觸力。Dubowsky和 Freudenstein對這一模型進行了擴展，稱為碰撞對模型，假定用線性黏性阻尼和赫茲彈簧描述接觸面的行為。Hunt和Crossley表明線性阻尼模型不能真實地表示能量傳遞過程的物理性質。因此，他們基于赫茲接觸理論提出了一個模型，帶有由局部嵌入深度和相應的嵌入速率定義的非線性阻尼力。 Lee和Wang提出了相似的模型，但是對非線性阻尼項的描述使用不同的函數。對空間機械臂的碰撞動力學研究，一般采用連續力模型。但大部分文獻主要是針對碰撞體中有一個為球或圓柱，對于多面體或任意形狀的碰撞研究較少。Luo和Nahon基于碰撞的幾何關系將碰撞進行分類，可以用于接觸體為多面體的情況。

現有技術中，空間機械臂抓捕非合作目標的過程中，碰撞是不可避免的。但是由于目標的旋轉特性和機械臂抓捕的過程與靜止碰撞存在差異，因此兩者的對象采用上述的模型和方法無法得到準確和高保真的結果。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種空間機械臂抓捕非合作目標的多面體碰撞動力學分析方法，設計合理，實施簡單，分析計算保真度高，更加接近實際情況。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種空間機械臂抓捕非合作目標的多面體碰撞動力學分析方法，包括如下步驟，

步驟1，建立空間機械臂的動力學模型；動力學模型包括運動學方程與動力學方程；

步驟2，將空間機械臂的末端表示為多個多面體的組合，將非合作目標表示為一個多面體；依次將表示空間機械臂末端的多個多面體對表示非合作目標的一個多面體進行碰撞檢測，檢測兩個不同多面體是否碰撞；若無碰撞則重復步驟2，若有碰撞則檢測兩個不同多面體的碰撞交點；

步驟3，根據兩個不同多面體的碰撞交點，通過非線性阻尼模型對空間機械臂抓捕非合作目標過程中的碰撞力進行求解；

步驟4，將求解得到的碰撞力代入到空間機械臂的動力學方程中得到抓捕過程中的碰撞響應。