一种在轨服务机械臂动力学建模方法和系统技术方案
Dynamic modeling method and system for on orbit service robot arm
The invention discloses an on orbit service manipulator dynamics modeling method, the method includes: the definition of mechanical arm system coordinate system, as well as the vector and velocity parameters; determine the system of generalized partial velocity, and the generalized inertia force of the generalized partial velocity and the corresponding generalized active force; generalized active force and generalized inertial force into get the Kaine equation, the dynamics equation of mechanical arm system in all arms; the dynamics equation of mechanical arm system in all sections are simplified into dynamic model of the manipulator system. The invention only need to obtain generalized active force and generalized inertial force, does not need to consider the objects between the binding, does not need to calculate the kinetic energy and potential energy of the system, so this method is very simple, to overcome the other modeling methods of large amount of calculation, the physical meaning is not intuitive, the disadvantage of high complexity of modeling.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种多自由度系统的动力学建模方法，具体涉及一种基于凯恩方程在轨服务多臂多自由度机械臂系统的动力学建模方法和系统。
技术介绍
随着空间技术的进步，全球每年发射的卫星和航天器的数量在不断增加，随之而来的是空间工作的多样性和复杂性迅速增长，对舱外活动的需求也日益增加，如对在轨航天器的抓捕、维修和燃料补充，外空间环境的科学实验，对空间垃圾的清理等等。过去这些任务主要由宇航员完成，但这些活动受到很多限制：首先，宇航员的力量与工作范围有限，对于大尺寸的航天设备的安装无能为力；其次，由于氧气供应和外太空辐射等含有危险的原因，宇航员的舱外连续工作时间有限；另外，由于太空微重力、高真空、强辐射和微小行星体的存在，在太空环境下从事各种作业，对宇航员来说是十分困难和危险的；同时为支持宇航员的舱外活动，需要庞大而复杂的环境控制系统和生命保障系统，不可避免的带来巨大的费用支出。为了解决这些问题，在轨服务机械臂系统应运而生。而一种好的在轨服务机械臂动力学建模方法是机械臂结束的核心技术之一。本质上，所有动力学建模的方法都是等效的。然而，不同的方法的使用难易程度是不同的。目前，多体系统动力学建模的主要方法有3种，即牛顿－欧拉方法、Lagrange方法和Kane方法。牛顿－欧拉方法基本上能解决全部的多体动力学建模问题，但是计算效率很低。牛顿－欧拉方法需要考虑多体系统的每个个体所受到的力和力矩之间的平衡关系，其中包括各个个体之间的相互关联的力和约束力，所以它的效率很低。Lagrange方法不需要虑多体系统的各个个体之间的相互关联的力和约束力，但是它最大的缺点是需要对能量函数进...
【技术保护点】
一种在轨服务机械臂动力学建模方法，其特征在于，该方法包含：S1、定义机械臂系统的系统坐标系，以及矢量参数和速度参数；S2、确定系统的广义偏速度，并得出该广义偏速度对应的广义惯性力和广义主动力；S3、广义主动力和广义惯性力带入凯恩方程，得到机械臂系统中所有节臂的动力学方程；S4、机械臂系统中所有节臂的动力学方程进行简化，合并成整个机械臂系统的动力学模型。
【技术特征摘要】
1.一种在轨服务机械臂动力学建模方法，其特征在于，该方法包含：S1、定义机械臂系统的系统坐标系，以及矢量参数和速度参数；S2、确定系统的广义偏速度，并得出该广义偏速度对应的广义惯性力和广义主动力；S3、广义主动力和广义惯性力带入凯恩方程，得到机械臂系统中所有节臂的动力学方程；S4、机械臂系统中所有节臂的动力学方程进行简化，合并成整个机械臂系统的动力学模型。2.如权利要求1所述的在轨服务机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述定义机械臂系统的系统坐标系包含：惯性坐标系SI：原点OI位于地球中心，ZI轴沿地球指向北极，XI轴指向春分点，YI轴满足右手定则；轨道坐标系So：原点Oo位于系统质心，zo轴指向地心，yo轴指向轨道负法线方向，xo轴与其它两轴构成右手坐标系；中心体连体坐标系Sb：原点Ob位于复杂连接体中心体的质心，xb、yb和zb与中心体惯性主轴平行，且满足右手定则；当中心体相对于轨道坐标系的三个方位角为零时，Sb坐标系与So系一致；机械臂坐标系Sji(i＝1，2，…M；j＝1，2，…Ni)：设系统有i个机械臂，对应第i个机械臂有Ni节，定义第i个机械臂中第j节臂的机械臂坐标系为：原点位于第i个机械臂系统中的第j节机械臂与其内接体的铰链oji处，坐标系各轴与第j节机械臂固连。3.如权利要求2所述的在轨服务机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述定义矢量参数包含：中心体连体坐标系原点在惯性坐标系中的位置矢量中心体质心在中心体连体坐标系内的位置矢量中心体质心在惯性坐标系内的位置矢量第i组机械臂中第一节机械臂在中心体上的铰接点在中心体连体坐标系中的位置矢量第i组机械臂中第j(j＝2,3,…,Ni)节机械臂与第j-1节机械臂的连接点在第j-1节机械臂的连体坐标系中的位置矢量第i组机械臂中第j节机械臂的质心在其自身连体坐标系中的位置矢量第i组机械臂中第j节机械臂的质心在惯性坐标系中的位置矢量4.如权利要求2所述的在轨服务机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述定义速度参数包含：中心体连体系相对惯性系的角速度矢量第i组机械臂中第j节机械臂相对其自身连体坐标系的角速度矢量第i组机械臂中第j节机械臂相对惯性坐标系的角速度矢量5.如权利要求2所述的在轨服务机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述S2包含：分析机械臂系统，选定广义偏速度；根据广义偏速度，计算出该广义偏速度下的广义惯性力和广义主动力；广义惯性力包含：中心体惯性力和第i组机械臂第j节臂的惯性力。6.如权利要求5所述的在轨服务机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述中心体惯性力包含：中心体第k(k>2)阶广义惯性力如式(1)： f I k , B * = - ∫ B ( a → B · G → k , B ) d m = 0 , k > 2 - - - ( 1 ) ]]>其中，为B体的绝对加速度，为第k阶广义偏速度；所述第i组机械臂第j节臂的惯性力包含：第i组机械臂第j节臂的第2+N*(i-1)+l阶广义惯性力如式(2)： f I n , j * i = - ∫ i , j ( a → j i · G → n , j i d m ) = - ∫ i , j ( r ~ l , j i T + A l j i 1 r ~ j i T A j l i ) e l i T · e I T R ·· - e b T ( r ~ b , j i + A b j i r ~ j i A j b i ) ω · b - Σ k = 1 j e k i T ( r ~ k , j i + A k j i r ~ j i A j k i ) ω · k i - e b T ω ~ b r ~ b , 1 i ω b - Σ k = 1 j - 1 e k i T Ω ~ k i r ~ k , k + 1 i Ω k i - e j i T Ω ~ j i r j i Ω j i - e 1 i T ( r ~ 1 , j i + A 1 j i r ~ j i A j 1 i ) A 1 b i ω ~ b A b 1 i Ω 1 i - Σ k = 2 j e k i T ( r ~ k , j i + A k j i r ~ j i A j k i ) A k , k - 1 i Ω ~ k - 1 i A k - 1 , k i Ω k i d m ( n = 2 + N * ( i - 1 ) + l , l ≤ j ) - - - ( 2 ) ]]>其中，为第j节臂绝对加速度，为j节机械臂上第n阶广义偏速度，上式中所有e都为连体基，其下标表示为在哪个坐标系下，上标表示为第几组，T表示转置；A表示方向余弦矩阵，下标表示为后者对前者的方向余弦矩阵，上标表示在哪个坐标系下；表示位置的叉乘矩阵，下标为后一点相对前一点，上标为在哪个坐标系下；ω表示角速度，下标表示是那个体；Ω为关节旋转角速度，下标表示哪个体，上标表示相对那个坐标系。7.如权利要求6所述的在轨服务机械臂动力学建模方法，其特征在于，所述S3包含：把广义主动力和广义惯性力带入凯恩方程，得到N*M+2个力学平衡方程，包含：中心体平动方程、中心体转动方程和第i组机械臂第j节臂的转动方程(i＝1，2，…M；j＝1，2，…N)：中心体平动方程包含：中心体平动方程对应于第一阶广义速度如式(3)： m R ·· - A I b S ~ o t ω · b - Σ i = 1 3 Σ j = 1 7 A I j i S ~ j t i ω · j i - A I b ω ~ b S ~ b * ω b - Σ i = 1 3 Σ j = 1 7 A I j i Ω ~ j i S ~ j i * Ω j i - Σ i = 1 3 ( A I 1 i S ~ 1 t i A 1 b i ω ~ b A b 1 i Ω 1 i + Σ j = 2 7 A I j i S ~ j t i A j , j - 1 i Ω ~ j - 1 i Ω j i ) = F - - - ( 3 ) ; ]]>中心体转动方程包含：中心体转动方程对应于第二阶广义速度ωb，如式(4)： - S ~ o t T A b I R ·· + I o t ω · b + Σ i = 1 3 Σ j = 1 7 A b j i I j _ o i ω · j i + I ω ω b + Σ ...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙宏丽，卢山，侯月阳，孙禄君，田路路，孙玥，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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