[發明專利]一種空間機械臂的快速自碰撞檢測方法

在審

• 申請號: 202010323632.7
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111546377A
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 蔣再男;梁孟德
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

本發明是一種空間機械臂的快速自碰撞檢測方法。所述方法為采用球體包圍盒方法對空間機械臂進行球體包圍盒的模型包絡，并對包絡模型進行數據采集；根據空間機械臂實際任務給定空間機械臂所需參數；根據各關節角度，進行正運動學變換，得到空間機械臂新的位姿，采用兩層碰撞檢測方案實現快速自身碰撞檢測。本發明能夠保證在有限資源下針對空間機器人嵌入式系統能夠實時有效檢測自身碰撞。實際在對空間機械臂操作時，采用兩層碰撞檢測方案，保證快速自碰撞檢測方法有效。

技術領域

本發明涉及機械臂遙操作技術領域，是一種空間機械臂的快速自碰撞檢測方法。

背景技術

空間站機械臂系統是完成空間站組裝、維護維修、輔助運營管理、載荷照料和航天員在軌作業支持等操作的重要工具，它有助于延長空間站及載荷的使用壽命以及減少航天員出艙風險，從而獲得更多的科研和經濟回報，是空間站的重要組成部分。

為了保證空間站以及空間機械臂工作安全，根據中央控制器的碰撞檢測模塊，實現快速檢測空間機械臂運動過程中與自身發生碰撞的目標。碰撞檢測得到的信息可以直接在空間機械臂路徑規劃中使用，因此快速碰撞檢測對空間機械臂路徑規劃是至關重要的。

包圍盒碰撞檢測方法有球體、圓柱體、K-DOP、OBB以及AABB等方法。對于AABB包圍盒算法來講，它被定義為包含該對象，且邊平行于坐標軸的最小六面體。AABB構造比較簡單，存儲空間小，但緊密性差，尤其對不規則幾何形體，冗余空間很大，當對象旋轉時，無法對其進行相應的旋轉。對于OBB包圍盒來講，它被稱作有向包圍盒或定向包圍盒，會隨著物體的移動、縮放、旋轉。具有方向的任意性，這使得它可以根據被包圍對象的形狀特點盡可能緊密的包圍對象，但同時也使得它的相交測試變得復雜。需要解決對象變形后OBB樹的更新問題，而重新計算每個結點的OBB的代價又太大。對于K-DOP來講，它是指定對象的凸包，它的面由一系列半空間決定的。各個面上的法向量在k個固定方向中選取，需要進行額外計算以確定如何選取包夾平面。對于圓柱體包圍盒來講，按端面圓是否參與相交劃分二者的相對位置關系，它僅需要旋轉柱體中心和頂面圓心這兩個點，計算量較小，擁有AABB和OBB的特點，但是碰撞時存在尖角，并不太理想。對于球體來講，它是比較簡單的包圍盒，而且當對象發生旋轉運動時，包圍球不需做任何更新，當幾何對象進行頻繁的旋轉運動時，使用包圍球體會得到很好的結果。

發明內容

本發明為保證空間機械臂工作安全，本發明提供了一種空間機械臂的快速自碰撞檢測方法，本發明提供了以下技術方案：

一種空間機械臂的快速自碰撞檢測方法，包括以下步驟：

步驟1：采用球體包圍盒方法對空間機械臂進行球體包圍盒的模型包絡，并對包絡模型進行數據采集；

步驟2：根據空間機械臂實際任務給定空間機械臂所需參數；

步驟3：根據各關節角度，進行正運動學變換，得到空間機械臂新的位姿，采用兩層碰撞檢測方案實現快速自身碰撞檢測。

優選地，所述步驟1具體為：

采用球體包圍盒方法對空間機械臂進行球體包圍盒的模型包絡，并對包絡模型進行數據采集和實時更新，球體包絡共分為兩層，第一層為粗略球體包絡，第二層為精細球體包絡，其中，針對空間機械臂，粗略球體包絡為最大可達空間的圓球；精細球體包絡為數個球體對粗略球體包絡中的每個元素進行包絡。

優選地，所述步驟2具體為：

根據空間機械臂實際任務的需要，給定空間機械臂各桿件長度、各關節角度、末端負載狀態、基座適配器編號和肩部適配器編號信息，為空間機械臂實現快速自碰撞檢測做準備。

優選地，所述步驟3具體為：