一种月面采样机械臂动态任务规划方法技术

一种月面采样机械臂动态任务规划方法，步骤如下：1)任务规划：

【技术实现步骤摘要】
一种月面采样机械臂动态任务规划方法


[0001]本专利技术属于控制系统或其部件的检验
，涉及一种月面采样机械臂 动态任务规划方法，国际专利分类号为：G05B 23/00。

技术介绍

[0002]月面采样机械臂作为月面表取采样的执行机构，承担着获取月壤样品并将 其放置到样品封装容器的复杂任务。月面采样机械臂通过表取方式获取月表土 壤样品的过程受到月面重力、月面复杂地形、着陆姿态和机械臂变形等多种不 确定因素影响，而这些因素只有在探测器着陆月面后才能获取与辨识且难以提 取预知。为保证在有限的月面采样时间内完成表取采样任务，对月面采样各类 事件和机械臂动作行为的实时动态规划，是顺利完成任务的关键。
[0003]针对此问题，国内外学者从任务规划的角度开展了大量的研究。其中最典 型的一类是STRIPS方法该方法建立了规范的任务规划模型，提出了利用逻辑命 题推理处理复杂规划的思路，在合理限制真实任务规划环境和设置假设的条件 下，实现了问题的规划求解。Blum等提出了图规划算法，期望通过简洁的搜索 方法来解决一般性规划问题，但囿于图搜索算法的复杂度，该方法对复杂规划 的求解效率不高。Bonet等基于启发式搜索提出了图规划算法改进算法，利用启 发式算法快速搜索状态空间以提高规划求解效率。由于该方法需要定义启发式 函数，启发式函数的计算复杂度会影响求解效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的任务规划灵活性不高的不足之处， 而提出了一种月面采样机械臂动态任务规划方法，该方法将机械臂采样任务规 划划分为任务整体规划、采样策略规划和运动控制规划等三个层级，将复杂月 面采样作业任务规划问题分解为空间约束、时序推理和运动控制三个维度分别 求解，三个层级相互配合以满足月面表取采样任务动态规划需求。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：
[0006]一种月面采样机械臂动态任务规划方法，该方法包以下步骤：
[0007]第一步：任务整体规划：
[0008]①
着陆区的确定：输入已知着陆区条件，着陆区的确定不属于本专利技术的范 畴，着陆区确定后，进行任务整体规划；
[0009]②
建立环境模型：将着陆区环境划分为三个部分，其中，只对采样区建立 环境模型，为后续的采样区分析做准备；具体的，通过相机采集月面地形的图 像，通过三维地形重构技术获得三维点云环境模型；
[0010]③
月面三维地形与着陆器外包络取并集确定障碍空间；
[0011]④
月面采样机械臂关节运动范围内的运动空间与非障碍空间取交集确定月 面采样机械臂的自由空间；
[0012]⑤
月面采样机械臂运动空间与月面三维地形取交集确定月面表取采样区；
[0013]⑥
由任务目标确定采样点：
[0014]⑦
由自由空间和采样点决定空间约束的月面采样作业过程；
[0015]第二步：采样策略规划，月面采样作业细化为：
[0016]①
初始化过程：设备加电和机械臂展开；
[0017]②
表取采样过程：机械臂执行月面表取采样的过程；
[0018]③
放样过程：机械臂将采集到的月表样品放置到密封容器，同时观察样品 放置的情况；
[0019]④
通过时间约束来考虑空间和时间的月面采样作业过程，并制定遥控指令 计划；
[0020]第三步：运动控制规划：
[0021]①
建立机械臂正/逆运动学模型，月面采样机械臂是安装在月面着陆器上的 四自由度串联机械臂，由腰关节、肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和末 端采样执行器组成；
[0022]②
路径规划算法包含运动范围约束、障碍物约束和控制模式约束；
[0023]③
当前构型与目标状态动态变化，当前构型与目标状态分别为任务的起始 点和目标点；
[0024]④
机械臂正/逆运动学模型和当前构型与目标状态动态变化决定路径规划 算法；
[0025]⑤
将上述控制模式、控制参数、初始状态、目标状态作为遥控指令计划中 动态指令的参数。
[0026]第一步中所说的采样区和采样点，对采样区环境的分析和对采样点优选如 下：
[0027]①
采样区环境的分析：
[0028]a.地形计算：地形平坦度反应了月面采样点周围某一尺度范围内的起伏程 度,通过主成分分析法求解月面离散点云的拟合平面法方向和在此方向上的分 散度；
[0029]b.确定地形平坦度：拟合平面法方向对应的分散度；
[0030]c.确定地形坡度：拟合平面与月面地平面的夹角；
[0031]d.确定地形坡向:通过拟合平面法方向进行表征。
[0032]第二步中所说的过程初始化过程、表取采样过程和放样过程，其中：初始 化过程包括设备加电事件和机械臂展开事件；表取采样过程包括机械臂触月事 件和机械臂采样事件；放样过程包括机械臂放样事件和样品观察事件；在保持 时序逻辑不变的情况下，根据触月、采样、放样和样品观察的实时状态，动态 调整机械臂操作过程或事件的次数和参数。
[0033]第二步中所说的设备加电：完成控制单元、电路、电机设备的开机和状态 设置。
[0034]第二步中所说的机械臂展开：机械臂由压紧位置运行至机械臂展开构型。
[0035]本专利技术的有益效果：
[0036]本专利技术将机械臂采样任务规划划分为任务整体规划、采样策略规划和运动 控制规划等三个层级，其中任务整体规划层是表取采样任务规划系统的最高层 次，主要解决采样区可采性评估与采样点选取问题，分析采样区内各采样点的 可达性、平坦性、安全性、通视性等指标，实施采样点选取并初步计算采样作 业的可行性；采样策略规划层是实现动态任务规划能力的关键层次，主要解决 采样相关机构、装置、系统的协同性作业时序排列问题，提出基于改进Allen 模型的时态规划方法，实现对采样任务过程的动态灵活调整；运动
控制规划层 是表取采样任务规划系统的实施层次，主要解决采样机械臂的运动过程分解与 轨迹规划问题，基于最短实时避障路径的运动规划方法，实现对操作路径的快 速高效规划。三个层级相互配合以满足月面表取采样任务动态规划需求。
附图说明
[0037]本专利技术共有15幅附图，其中图1可做为说明书摘要的附图。
[0038]图1.为月面表取采样任务规划系统框图；
[0039]图2.采样区空间约束关系示意图；
[0040]图3.采样区分析示意图；
[0041]图4.机械臂
‑
地形距离的计算结果示意图；
[0042]图5.月面表取采样任务网络示意图；
[0043]图6.采样策略流程示意图；
[0044]图7.月面采样机械臂简图；
[0045]图8.月面采样机械臂关节坐标系及连杆参数示意图；
[0046]图9.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种月面采样机械臂动态任务规划方法，其特征在于：该方法包以下步骤：第一步：任务整体规划：
①
着陆区的确定：输入已知着陆区条件，着陆区确定后，进行任务整体规划；
②
建立环境模型：将着陆区环境划分为三个部分，其中，只对采样区建立环境模型，为后续的采样区分析做准备；具体的，通过相机采集月面地形的图像，通过三维地形重构技术获得三维点云环境模型；
③
月面三维地形与着陆器外包络取并集确定障碍空间；
④
月面采样机械臂关节运动范围内的运动空间与非障碍空间取交集确定月面采样机械臂的自由空间；
⑤
月面采样机械臂运动空间与月面三维地形取交集确定月面表取采样区；
⑥
由任务目标确定采样点：
⑦
由自由空间和采样点决定空间约束的月面采样作业过程；第二步：采样策略规划，月面采样作业细化为：
①
初始化过程：设备加电和机械臂展开；
②
表取采样过程：机械臂执行月面表取采样的过程；
③
放样过程：机械臂将采集到的月表样品放置到密封容器，同时观察样品放置的情况；
④
通过时间约束来考虑空间和时间的月面采样作业过程，并制定遥控指令计划；第三步：运动控制规划：
①
建立机械臂正/逆运动学模型，月面采样机械臂是安装在月面着陆器上的四自由度串联机械臂。
②
路径规划算法包含运动范围约束、障碍物约束和控制模式约束；
③
当前构型与目标状态动态变化，当前构型与目标状态分别为任务的起始点和目标点；
④
机械臂正/逆运动学模型和当前构型与目标状态动态变化决定路径规划算法；
⑤
将上述控制模式、控制参数、初始状态、目标状态作为遥控指令计划...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘传凯，高宇辉，刘茜，孙军，袁春强，赵瑞，马传令，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二零部队，
类型：发明
国别省市：