[發明專利]空間機器人捕獲翻滾目標后的軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 201910010504.4
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109591017B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 羅建軍;許若男;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: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種空間機器人捕獲翻滾目標后的軌跡規劃方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、建立捕獲后組合體的動量方程；

假設空間機器人基座上安裝有n自由度機械臂和m自由度的飛輪；在空間機器人捕獲翻滾目標后，翻滾目標與機械臂末端執行器固連形成組合體；空間機器人的動量方程描述如下：

其中，H_ω，H_bm和H_br為與基座，機械臂和飛輪慣量相關的矩陣；J_Tω為與機械臂質量相關的矩陣；M為組合體的總質量；E₃表示單位矩陣；r_0g＝r_g-r₀；r₀，r_g分別是基座和系統質心在慣性坐標系下的位置矢量；是一個斜對稱矩陣；v_b，ω_b，和分別為基座的速度，角速度，機械臂關節角速度和飛輪的角速度；

假設系統的線動量P＝0，式(1)中的角動量方程簡化為：

在捕獲具有初始角動量L_t的翻滾目標后,組合體L_all＝L+L_t的角動量方程記為：

其中，代表捕獲后矩陣，包含翻滾目標的動力學信息；由于翻滾目標的動力學參數未知，捕獲后組合體的動力學參數將發生變化；

步驟二、基座無擾和組合體穩定的軌跡規劃方法；

ω_b＝0時，基座姿態的擾動最小；式(3)記為：

其中，是機械臂關節角速度的期望值；通過式(3)和式(4)得到：

從式(5)中期望的關節角速度表示為：

其中，(·)⁺是偽逆；P_RNS是的零空間映射；是一個任意的矢量；式(6)等式右邊包含兩項；第一項利用基座與機械臂的耦合規劃機械臂的運動，將基座的角動量轉移到機械臂上；第二項基于零空間的概念將基座和機械臂的運動解耦，利用機械臂的冗余度優化關節的軌跡；在此，通過翻滾目標消旋任務確定末端執行器的角速度ω_e表示為：

其中，J_Rn為廣義雅克比矩陣；聯合式(6)和式(7)得到：

保證基座擾動的最小化和實現消旋任務,令ω_e＝[0 0 0]^T，ω_b＝[0 0 0]^T，期望的關節角速度最終表示為：

采用額外的角動量吸收裝置實現組合體的穩定；使用飛輪吸收組合體上存在的總的角動量；從式(3)中得到：

因此，期望的飛輪角速度表示為：

由于瞬時吸收能力的約束，飛輪不能立即吸收組合體總的角動量；在此，通過使用飽和函數表示飛輪的控制力矩約束：

其中，τ_min和τ_max分別表示關節力矩約束的最小值和最大值，為常量；

步驟三、分析翻滾目標動力學參數不確定性對任務的影響；

式(9)和式(11)的慣性矩陣中包含翻滾目標的未知動力學參數，這些參數不能預先知道；假定使用慣性矩陣的估計值，將會存在一個偏差，記為:

其中，和分別為和的估計值；和為估計偏差；

使用估計值，式(6)表示為：

當控制關節的實際角速度跟蹤上期望的角速度時，從式(13)中得到：

上式中ω_b收斂到零，基座的姿態實現穩定；式(12)中飛輪的角速度表示為：

控制飛輪的角速度跟蹤上期望的角速度時，即

式中，收斂到零，實現消旋任務；組合體最終實現穩定。