[發明專利]一種在軌行走組裝機器人步態優化方法及系統

在審

• 申請號: 202211208016.2
• 申請日: 2022-09-30
• 公開（公告）號: CN115781631A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 楊勝麗;孟得山;馬智浩;向潤暉
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: B25J5/02
• 分類號: B25J5/02;B25J9/16
• 代理公司: 深圳市創富知識產權代理有限公司 44367
• 代理人: 范偉民

本發明公開了一種在軌行走組裝機器人步態優化方法及系統，該方法包括：構建機器人?結構耦合動力學模型并獲取機器人關節運動與結構振動的耦合關系；基于五次多項式與有限項余弦傅立葉級數之和構造關節軌跡函數；根據結構振動與關節運動的關系構造目標函數；基于PSO算法尋找使得目標函數最小的關節軌跡參數，將該參數代入關節軌跡函數得到關節軌跡。該系統包括：耦合動力學模型構建模塊、關節軌跡函數構建模塊、目標函數構建模塊和尋優模塊。通過使用本發明，對機器人運動過程中的步態軌跡進行優化，有助于減小由于機器人運動對結構產生的作用力，使得結構產生的殘余振動最小。本發明可廣泛應用于機器人控制領域。

技術領域

本發明涉及機器人控制領域，尤其涉及一種在軌行走組裝機器人步態優化方法及系統。

背景技術

利用空間機器人對模塊化元素進行自動化組裝是實現超大型航天器在軌建造的有效途 徑。面向結構化環境實現離散模塊結構在軌組裝的三分支空間機器人與一般工作在非結構化 環境中的機器人不同，該三分支空間機器人由于特定的結構化裝配環境特點及多分支的結構 設計，使得機器人運動方式靈活、空間裝配高效、結構形式和控制方式簡單。然而，空間三 分支機器人在軌行走組裝大型結構時，機器人運動會激發結構振動，結構振動會降低機器人 的定位精度和操作靈活性，甚至會引發結構疲勞。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種在軌行走組裝機器人步態優化方法及 系統，對機器人運動過程中的步態軌跡進行優化，有助于減小由于機器人運動對結構產生的 作用力，能夠使得結構產生的殘余振動最小。

本發明所采用的第一技術方案是：一種在軌行走組裝機器人步態優化方法，包括以下步 驟：

構建機器人-結構耦合動力學模型并獲取機器人關節運動與結構振動的耦合關系；

基于五次多項式與有限項余弦傅立葉級數之和構造關節軌跡函數；

根據結構振動與關節運動的關系構造目標函數；

基于PSO算法尋找使得目標函數最小的關節軌跡參數，將該參數代入關節軌跡函數得到 關節軌跡。

進一步，所述構建機器人-結構耦合動力學模型并獲取機器人關節運動與結構振動的耦合 關系這一步驟，其具體包括：

基于朗格朗日方程構建機器人動力學模型并求解機器人運動對結構產生的作用力，得到 耦合作用力；

構建結構的動力學方程并將耦合作用力代入結構的動力學方程，構建機器人-結構耦合動 力學模型；

根據機器人-結構耦合動力學模型得到機器人關節運動與結構振動的耦合關系。

進一步，所述機器人動力學模型公式表示如下：

上式中，H_b表示分支末端等效質量，H_bm(θ)表示機器人與結構之間的耦合慣性矩陣， H_m(θ)表示三分支機器人的慣性矩陣，z表示基座在豎直方向的變形，θ表示機器人的各關節 向量，表示結構的非線性速度相關項，表示機器人的非線性速度相關項，g_z表 示結構對機器人的支持力，τ表示機器人的各關節力矩向量。

進一步，所述機器人-結構耦合動力學模型的公式表示如下：

上式中，M_s表示結構的等效質量矩陣，K_s表示結構的等效剛度矩陣，p表示結構的模態 坐標，B(x)表示結構的振型，H_b表示分支末端等效的機器人質量，H_bm(θ)表示機器人與結構 的耦合慣性矩陣，表示結構的非線性速度相關項，θ表示機器人的關節向量。

進一步，所述關節軌跡函數的公式表示如下：