一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法技术

本发明专利技术涉及一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法，建立开环多臂空间机器人及其与所抓捕目标组成的闭环系统的动力学方程；推导动力学可操作度表达式；提出动力学可操作度的衡量方法；最后分析了不同因素对动力学可操作度的影响。有益效果是：提出了一种多臂空间机器人动力学可操作度研究方法。分别针对开环多臂空间机器人与闭环系统建立并推导了动力学操作关系式，在此基础上提出动力学操作椭球和动力学操作因子分别作为衡量动力学可操作度的几何和数值手段。对轨迹规划及控制具有重要参考意义。

【技术实现步骤摘要】
一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法
本专利技术属于空间机器人控制技术，涉及一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法。
技术介绍
随着航天技术的发展，未来需要在太空中进行更多、更复杂的舱外任务。目前已有数百名航天员成功进入太空，其中很多进行了太空行走和其他舱外任务。但鉴于太空微重力、高真空、强辐射、极端温度的恶劣环境，时至今日，航天员进行舱外活动仍是一项高风险的工作。与人类航天员相比，使用空间机器人执行在轨任务则具有诸多优势。它不需要复杂的生命支持系统，对各种恶劣环境的适应性强，可以长时间工作，提高空间工作效率。它既可以在一些危险任务中完全替代航天员，也可以作为航天员的辅助工具进行高精度、高可靠性要求的任务。除此之外，很多高危险、高成本的空间飞行器作业也要靠空间机器人完成，例如用机械臂抓捕失效卫星以回收利用，搬运和组装大型空间飞行器，清理太空垃圾等。机械臂的动力学可操作度是衡量其性能的重要指标之一。可操作度这一概念原本指关节速度对末端速度的操作能力，即关节速度在一定范围内时，末端的可达速度范围，见文献：Yoshikawa,T.ManipulabilityofRoboticMechanisms[J].InternationalJournalofRoboticsResearch,1985,4(2):3-9.。由于它仅涉及机械臂的运动学参数，故又称运动学可操作度。Yoshikawa首先将机械臂的动力学因素考虑在内，针对固定基座单臂机器人提出了动力学可操作度的概念，定义为机械臂关节扭矩满足一定约束时末端的可达加速度范围，见文献YoshikawaT.Dynamicmanipulabilityofrobotmanipulators[C]//IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.Proceedings.IEEE,1985:1033-1038.。他在运动学操作椭球的基础上提出用动力学操作椭球(DME)衡量动力学可操作度能，即当关节扭矩满足单位球约束时末端能够产生加速度的空间范围，可以直观地反映各方向上的加速特性。现有的可操作度研究所针对的大多为固定基座机器人系统，见文献：YokokohjiY,MartinJS,FujiwaraM.DynamicManipulabilityofMultifingeredGrasping[J].IEEETransactionsonRobotics，2009,25(4):947-954.ChiacchioP.Anewdynamicmanipulabilityellipsoidforredundantmanipulators[M].CambridgeUniversityPress，2000.ShenK,LiX,TianH,etal.ApplicationandanalysesofDynamicReconfigurationManipulabilityShapeIndexintohumanoidbipedwalking[C]//IEEEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics.IEEE，2016.GuY,GeorgeLeeCS,YaoB.FeasibleCenterofMassDynamicManipulabilityofhumanoidrobots[C]//IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation，IEEE,2015:5082-5087.AzadM,J,MistryM.Dynamicmanipulabilityofthecenterofmass:Atooltostudy，analyseandmeasurephysicalabilityofrobots[C]//IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.IEEE,2017:3484-3490.与地面固定基座机器人不同，自由漂浮空间机器人整体不受外力作用，满足动量守恒，这样机械臂的运动势必引起基座位置和姿态的变化，使空间机器人的动力学可操作度受到影响。此外，当多臂空间机器人抓捕住同一目标，机器人会与目标组合成闭环系统，与开环空间机器人相比，这种闭环系统的动力学特性更为复杂。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法，针对开环多臂空间机器人及其与所抓捕目标组成的闭环系统，完成机械臂性能的重要指标：可操作度衡量与分析方法。技术方案一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立开、闭环系统动力学方程：开环空间机器人动力学方程：分解为基座和机械臂的形式：其中为空间机器人惯量矩阵，包含基座项Hb、机械臂项Hm以及二者的耦合项为空间机器人广义速度，包括基座空间速度为和关节速度q。为偏差力，分为基座项Cb和机械臂项Cm。为作用于机器人系统的力，由基座所受外力Fb和关节扭矩τ组成，对于自由漂浮空间机器人，Fb为零；为机械臂末端Jacobian矩阵，由基座项Jeb和机械臂项Jem组成。为机械臂末端施加于外界的力；闭环空间机器人动力学方程：其中It为目标广义惯量，Vt×*＝(Vt×)T其中和为目标的Jacobian矩阵和空间速度步骤2、动力学可操作度表达式推导：开环系统表达式：其中表示机械臂末端加速度与关节扭矩的关联矩阵。则表示末端偏差加速度项，源于科氏加速度和离心加速度；所述闭环系统表达式：其中分别为目标加速度操作关联矩阵及目标偏差加速度；所述步骤3、动力学可操作度的衡量：动力学操作椭球：其中下标(·)为开环系统中的e或闭环系统中的t。Lτ＝diag(|τ1|max,|τ2|max,…,|τN|max)为各关节扭矩最大值组成的对角规范矩阵，为规范化后的关节扭矩；该式在几何上表示一个球心位于b(·)处的椭球，即动力学操作椭球；动力学操作因子：无偏差情况下v(·)＝σ1(Ma(·))σ2(Ma(·))…σr(Ma(·))＝det(Σ(Ma(·)))其中σi(Ma(·)),i＝1,…,r为Ma(·)的非零奇异值，Σ＝diag(σ1,σ2,…,σr)∈Rr×r为Ma(·)的所有非零奇异值构成的对角矩阵，r为Ma(·)的秩；有偏差情况下其中为偏差因子，p(·)表示在椭球原点坐标系中的偏差加速度。有益效果本专利技术提出的一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法，建立开环多臂空间机器人及其与所抓捕目标组成的闭环系统的动力学方程；推导动力学可操作度表达式；提出动力学可操作度的衡量方法；最后分析了不同因素对动力学可操作度的影响。本专利技术的有益效果是：提出了一种多臂空间机器人动力学可操作度研究方法。分别针对开环多臂空间机器人与闭环系统建立并推导了动力学操作关系式，在此基础上提出动力学操作椭球和动力学操作因子分别作为衡量动力学可操作度的几何和数值手段。对轨迹规划及控制具有重要参考意义。附图说明图1：开环空间机器人左臂末端动力学操作因子(a)角加速度操作因子(b)线加速度操作因子图2：开环空间机器人左臂末端线加速度操作椭圆图3：左臂末端动力学操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立开、闭环系统动力学方程：开环空间机器人动力学方程：

【技术特征摘要】
1.一种评估多臂空间机器人的动力学可操作度方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立开、闭环系统动力学方程：开环空间机器人动力学方程：分解为基座和机械臂的形式：其中为空间机器人惯量矩阵，包含基座项Hb、机械臂项Hm以及二者的耦合项Hbm；为空间机器人广义速度，包括基座空间速度为和关节速度q；为偏差力，分为基座项Cb和机械臂项Cm；为作用于机器人系统的力，由基座所受外力Fb和关节扭矩τ组成，对于自由漂浮空间机器人，Fb为零；为机械臂末端Jacobian矩阵，由基座项Jeb和机械臂项Jem组成；为机械臂末端施加于外界的力；闭环空间机器人动力学方程：其中It为目标广义惯量，其中和为目标的Jacobian矩阵和空间速度；步骤2、动力学可操作度表达式推导：开环系统表达式：其中表示机械臂末端加速度与关节扭矩的关联矩阵；则表示末端偏差加速度项，源于科氏...

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