[發明專利]一種空間機械臂快速碰撞檢測方法

有效

• 申請號: 202010325643.9
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111546378B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 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快速碰撞檢測方法。所述方法為采用球體與膠囊體包圍盒方法對實驗艙機械臂和空間站本體構型進行球體和膠囊體包圍盒的模型包絡，并對包絡模型進行數據采集和轉換；當實驗艙機械臂自身碰撞檢測時，給定空間機械臂所需各相關參數，正運動學變換，得到空間機械臂新的位姿；當實驗艙機械臂與空間站本體碰撞檢測時，預先設定碰撞部件檢測；當實驗艙機械臂與核心艙機械臂串聯與空間站本體碰撞檢測時，由于雙臂串聯，進行全部部件檢測。本發明根據不同的任務需求采取不同的碰撞策略，節省不必要的時間。本發明能夠滿足實時性30ms的要求，是對球體包圍盒的快速碰撞檢測算法的改進。

技術領域

本發明涉及機械臂遙操作技術領域，是一種空間機械臂快速碰撞檢測方法。

背景技術

空間機械臂在人類的太空探索中發揮著越來越重要的角色。在復雜的空間環境下，空間機械臂投入使用不僅可以有效地減小宇航員面臨的風險，使其避免在極端溫度以及高輻射環境下執行外空間任務，而且提高了外太空任務執行的效率。空間站機械臂系統由核心艙機械臂和實驗艙機械臂構成。其中實驗艙機械臂主要完成空間站維護維修、輔助運營管理和支持EVA等任務。

在遙操作領域下，空間機械臂快速碰撞檢測對于保證空間站和機械臂正常有序工作起到了十分關鍵的作用。為了保證空間站以及實驗艙機械臂工作安全，根據中央控制器的碰撞檢測模塊，實現防止實驗艙機械臂運動過程中與空間站本體、核心艙機械臂等發生碰撞的目標。

本文將針對根據空間站機械臂任務仿真對于碰撞檢測的具體需求，研究最適合的碰撞檢測方法，實現空間站機械臂任務仿真中的碰撞檢測。其中，包圍盒碰撞檢測是應用最廣泛的碰撞檢測算法，它通過檢測物體周圍的邊界框是否重疊來判斷兩者是否碰撞，具有快速的優點。因為如果被檢測的兩個物體的邊界框不重疊，那么這兩個物體也必沒有碰撞。因此，包圍盒碰撞檢測可以用作空間站機械臂快速碰撞檢測方法的檢測對象。

目前針對空間機械臂的快速碰撞方法有球體、K-DOP、OBB以及AABB等方法。AABB包圍盒緊密性差，無法旋轉。OBB包圍盒，盡管能對物體緊密包圍，但增加了相交測試的時間，與快速碰撞要求不符。K-DOP需要進行額外計算以確定如何選取包夾平面。因此采用相對簡單且旋轉時不需更新的球體包圍盒作為空間機械臂的快速碰撞的基礎方法。但針對空間機械臂嵌入式系統的在軌有限資源約束與實時性要求，單純采用球體包圍盒對機械臂和空間站本體進行碰撞檢測不能滿足要求。

發明內容

本發明為解決單純采用球體包圍盒對機械臂和空間站本體進行碰撞檢測不能滿足要求的問題，本發明提供了一種空間機械臂快速碰撞檢測方法，本發明提供了以下技術方案：

一種空間機械臂快速碰撞檢測方法，包括以下步驟：

步驟1：采用球體與膠囊體包圍盒方法對實驗艙機械臂和空間站本體構型進行球體和膠囊體包圍盒的模型包絡，并對包絡模型進行數據采集和轉換；

步驟2：當實驗艙機械臂自身碰撞檢測時，給定空間機械臂所需各相關參數，正運動學變換，得到空間機械臂新的位姿；

步驟3：當實驗艙機械臂與空間站本體碰撞檢測時，預先設定碰撞部件檢測；

步驟4：當實驗艙機械臂與核心艙機械臂串聯與空間站本體碰撞檢測時，由于雙臂串聯，進行全部部件檢測。

優選地，所述步驟1具體為：

采用球體與膠囊體包圍盒方法對實驗艙機械臂和空間站本體構型進行球體與膠囊體包圍盒的模型包絡，將所述機械臂的各部件進行包絡后采集每個球體的球心坐標和半徑大小，并轉換在同一坐標系下，確定實驗艙機械臂和核心艙機械臂關節角度，根據實驗艙機械臂和核心艙機械臂關節角度判斷空間站太陽翼帆板是否轉動。

優選地，其特征是：在空間站運行過程中，對碰撞檢測模型進行更新，主要包括以下類型：