一种空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划方法技术

本发明专利技术提供一种空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划方法，能够满足空间机器人的动力学耦合、关节驱动能力受限、抓捕时机以及多优化指标的要求，驱动关节电机实现对非合作目标的自主抓捕任务。所述方法包括：建立空间机器人的多体动力学模型；基于贝塞尔曲线构建机械臂各关节的轨迹，将关节的轨迹设计过程中出现的约束和优化指标函数均转化为贝塞尔曲线控制点的函数，使得轨迹规划最终表示为贝塞尔曲线控制点作为优化参数的非线性优化问题；空间机器人的轨迹规划问题被转化为一个多约束和多目标的最优化问题，利用非线性优化方法对其进行搜索，得到最优解，完成空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划。

A multi constrained trajectory planning method for space free floating manipulator

The invention provides a free floating space manipulator of the multi constrained path planning method can satisfy the dynamic coupling, joint space robot drive capacity is limited, and the arrest time optimization index requirements, implementation of the non cooperative target autonomous capture task driven joint motor. The method includes: establish the multi-body dynamics model of space robot; Bessel curve to construct each arm joint based on the trajectory of the constraints and optimization index function appear in the joint trajectory design process were transformed into Bessel curve control points function, the trajectory planning of the final representation as a nonlinear optimization problem of optimized parameters for Bessel curve control point; optimization problem of space robot trajectory planning problem is transformed into a multi constraint and multi object, using nonlinear optimization method to search for the optimal solution, complete the planning of multi constrained manipulator trajectory of free floating space.

【技术实现步骤摘要】
一种空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划方法
本专利技术涉及空间机器人的轨迹规划技术，具体为一种空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划方法。
技术介绍
对空间目标的安全可靠抓捕，是后续执行航天器在轨维护、在轨加注、在轨制造、在轨维修等任务的前提条件，主要目的在于延长航天器的可用寿命、增强航天器的性能，以及构建新的空间飞行器。统计显示，国外航天机构通过ROTEX、ETS-VII、OE、DEOS、FREND等项目完成了针对空间合作目标的快速自主交会、近距编队飞行、利用机械臂捕获合作目标等技术验证。但是针对空间非合作目标，由于其运动状态、质量特性等均为未知且不具备抓捕对接的标准接口，导致抓捕与对接操作的难度大为提升，并且空间机械臂的路径规划受到动力学耦合、关节输入、输出等多种约束的影响，至今尚无针对非合作目标成功的抓捕案例。因此亟待探索新的空间机械臂自主路径规划方法，以解决空间机械臂安全、自主抓捕非合作目标的关键技术问题。同时，随着空间机器人科学研究的深入，对于空间机器人的自主性要求越来越高，特别是针对空间非合作目标的自主抓捕任务。传统的空间机器人抓捕的均为合作目标，为了应对日益增多的空间碎片以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤，首先，根据空间机器人的构型建立其多体动力学模型，多体动力学模型中包括空间机器人的机械臂与基座的动力学耦合；其次，选择机械臂末端效应器所到达点的位姿，基于贝塞尔曲线构建机械臂各关节的轨迹，并将各关节的驱动能力约束和输出受限约束进行转化，根据需求设计不同的优化指标函数；将关节的轨迹设计过程中出现的约束和优化指标函数均转化为贝塞尔曲线控制点的函数，使得轨迹规划最终表示为贝塞尔曲线控制点作为优化参数的非线性优化问题；最后，空间机器人的轨迹规划问题被转化为一个多约束和多目标的最优化问题，利用非线性优化方法对其进行搜索，得到最优解，确定...

【技术特征摘要】
1.一种空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤，首先，根据空间机器人的构型建立其多体动力学模型，多体动力学模型中包括空间机器人的机械臂与基座的动力学耦合；其次，选择机械臂末端效应器所到达点的位姿，基于贝塞尔曲线构建机械臂各关节的轨迹，并将各关节的驱动能力约束和输出受限约束进行转化，根据需求设计不同的优化指标函数；将关节的轨迹设计过程中出现的约束和优化指标函数均转化为贝塞尔曲线控制点的函数，使得轨迹规划最终表示为贝塞尔曲线控制点作为优化参数的非线性优化问题；最后，空间机器人的轨迹规划问题被转化为一个多约束和多目标的最优化问题，利用非线性优化方法对其进行搜索，得到最优解，确定轨迹规划时间，构建机械臂各关节的轨迹，完成空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划。2.根据权利要求1所述的一种空间自由漂浮机械臂的多约束轨迹规划方法，其特征在于，具体步骤如下，步骤1，构建空间自由漂浮机器人动力学模型；步骤1.1，空间机器人多体动力学建模；空间机器人系统包括n+1个运动部件，参考拉格朗日力学体系，空间机器人的动力学方程表示如下：其中，Hb、Hbm和Hm分别表示基座、耦合、机械臂惯量矩阵；为基座运动加速度，为关节角加速度；cb和cm表示基座和机械臂的科里奥利力和离心力；τ表示关节电机的控制力矩；fb和fe分别表示作用于基座与机械臂末端执行器的广义外力；Jb和Je为基座和末端执行器的雅可比矩阵；当没有外力作用在末端执行器，即fe＝0，也没有外力作用在基座上时，即fb＝0，整个系统被称为空间自由漂浮机器人；根据动量守恒定律，空间机器人系统的总动量表示如下：假设初始动量L0＝0，由于Hb可逆，基座的运动表示如下：末端执行器的运动表示如下：其中，Jg为广义雅可比矩阵；步骤1.2，对机械臂末端效应器所到达点的位姿进行姿态描述；利用单位四元数描述姿态，其中η是标量部分，ε是矢量部分；四元素满足η2+εTε＝1的约束关系；步骤2，根据空间机器人多体动力学模型和机械臂末端效应器的位姿描述，进行关节轨迹设计，确定轨迹规划；步骤2.1，确定约束表示，在生成关节轨迹的过程中，确定终端约束，以及速度和加速度约束，根据任务要求确定等式约束，根据机械臂硬件条件确定不等式约束，得到如下的各种等式和不等式约束：其中，上标s，f，d的x分别表示起始、终端以及期望的位姿，设计的关节轨迹要求末端执行器的位姿趋向于期望的位姿，亦即步骤2.2，确定指标函数，描述轨迹规划问题；根据约束条件，确定设计需求的至少一个指标函数；根据需要的指标函数，在一系列等式约束和不等式约束下的轨迹规划问题表示为一个非线性优化问题，并描述为：subjectto：gi(θ(t))＜0hi(θ(t))＝0；步骤2.3，将每个关节轨迹θi(t)采用贝塞尔曲线表示；用贝塞尔曲线描述第i个关节的轨迹如下，

【专利技术属性】
技术研发人员：王明明，罗建军，袁建平，朱战霞，
申请(专利权)人：西北工业大学，西北工业大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：陕西,61