[發明專利]一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法

有效

• 申請號: 202110958186.1
• 申請日: 2021-08-20
• 公開（公告）號: CN113650015B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 劉傳凱;高宇輝;劉茜;孫軍;袁春強;趙瑞;馬傳令
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63920部隊
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 尹瑋

1.一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：該方法包以下步驟：

第一步：任務整體規劃：著陸區的確定：輸入已知著陸區條件，著陸區確定后，進行任務整體規劃；建立環境模型：將著陸區環境劃分為三個部分，月面三維地形與著陸器外包絡取并集確定障礙空間；月面采樣機械臂關節運動范圍內的運動空間與非障礙空間取交集確定月面采樣機械臂的自由空間；月面采樣機械臂運動空間與月面三維地形取交集確定月面表取采樣區；其中，只對采樣區建立環境模型，為后續的采樣區分析做準備；具體的，通過相機采集月面地形的圖像，通過三維地形重構技術獲得三維點云環境模型；由任務目標確定采樣點：由自由空間和采樣點決定空間約束的月面采樣作業過程；

第二步：采樣策略規劃，月面采樣作業過程細化為：①初始化過程：設備加電和機械臂展開；②表取采樣過程：機械臂執行月面表取采樣的過程；③放樣過程：機械臂將采集到的月表樣品放置到密封容器，同時觀察樣品放置的情況；④通過時間約束來考慮空間和時間的月面采樣作業過程，并制定遙控指令計劃；

第三步：運動控制規劃：①建立機械臂正/逆運動學模型，月面采樣機械臂是安裝在月面著陸器上的四自由度串聯機械臂；②路徑規劃算法包含運動范圍約束、障礙物約束和控制模式約束；③當前構型與目標狀態動態變化，當前構型與目標狀態分別為任務的起始點和目標點；④機械臂正/逆運動學模型和當前構型與目標狀態動態變化決定路徑規劃算法；⑤將控制模式、控制參數、初始狀態、目標狀態作為遙控指令計劃中動態指令的參數；第一步中所述的采樣區和采樣點，對采樣區環境的分析如下：a.地形計算：地形平坦度反應了月面采樣點周圍某一尺度范圍內的起伏程度,通過主成分分析法求解月面離散點云的擬合平面法方向和在此方向上的分散度；b.確定地形平坦度：擬合平面法方向對應的分散度；c.確定地形坡度：擬合平面與月面地平面的夾角；d.確定地形坡向:通過擬合平面法方向進行表征；

計算地形平坦度的方法為：

給定點集P＝{p1,p2,…,pn}，設點pi的最近k鄰域為Nb(pi)，為點pi的重心，則點pi的協方差矩陣定義為：

其中，協方差矩陣C奇異值分解可分解成3個特征向量：v2,v1,v0，其對應的特征值分別為λ2,λ1,λ0，λ2≥λ1≥λ0，最小特征值λ0即為地形平坦度，對應的特征向量v0即可表示為擬合平面的法向量，即為地形坡度與地形坡向的描述向量。

2.根據權利要求1所述的一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：第二步中所述的初始化過程包括設備加電事件和機械臂展開事件。

3.根據權利要求1所述的一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：第二步中所述的表取采樣過程包括機械臂觸月事件和機械臂采樣事件。

4.根據權利要求1所述的一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：第二步中所述的放樣過程包括機械臂放樣事件和樣品觀察事件。

5.根據權利要求1所述的一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：所述的初始化過程、表取采樣過程和放樣過程在保持時序邏輯不變的情況下，根據觸月、采樣、放樣和樣品觀察的實時狀態，動態調整機械臂操作過程或事件的次數和參數。

6.根據權利要求1所述的一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：第二步中所述的設備加電：完成控制單元、電路、電機設備的開機和狀態設置。

7.根據權利要求1所述的一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：第二步中所述的機械臂展開：機械臂由壓緊位置運行至機械臂展開構型。

8.根據權利要求1所述的一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：所述的四自由度串聯機械臂由腰關節、肩關節、大臂、肘關節、小臂、腕關節和末端采樣執行器組成。

9.根據權利要求1所述的一種月面采樣機械臂動態任務規劃方法，其特征在于：所述的四自由度串聯機械臂是由關節角度約束機械臂運動范圍。