空间机器人接触操作的风险判定方法、系统、介质及设备技术方案

本发明专利技术涉及空间机器人接触碰撞动力学领域，尤其涉及空间机器人接触操作的风险判定方法、系统、介质及设备。该方法包括：步骤1，输入模块获取空间机器人的风险判断参数；步骤2，风险评估模块基于所述风险判断参数计算最大接触碰撞力以及基座姿态扰动二范数；步骤3，输出模块基于所述最大接触碰撞力以及所述基座姿态扰动二范数得出风险等级判定结果。通过本发明专利技术能够达到通过最大接触碰撞力以及基座姿态扰动二范数的获取可以避免机器人与目标物发生不当接触碰撞而产生风险，且，本申请结合了上述两个条件，相较于现有技术中仅针对一种条件进行风险评估的判断方法更具有准确性，另外还可以有效减少太空中宝贵资源浪费情况的效果。果。果。

Risk judgment method, system, medium and equipment of space robot contact operation

【技术实现步骤摘要】
空间机器人接触操作的风险判定方法、系统、介质及设备


[0001]本专利技术涉及空间机器人接触碰撞动力学领域，尤其涉及空间机器人接触操作的风险判定方法、系统、介质及设备。

技术介绍

[0002]空间机器人在轨执行接触性操作任务时，主要关注最大接触碰撞力和基座姿态扰动两个指标。由于传感器误差以及目标飞行器在轨速度的影响，采用零相对速度的软接触在实际工程中很难实现，接触操作不可避免的会产生接触碰撞力，过大接触力可能会对目标物或者机器人造成结构损伤导致任务失败；针对基座惯量较小的空间机器人系统，接触碰撞会引起基座姿态较大的扰动，而基座姿态往往与空间机器人对地通信和能量获取密切相关。因此，空间机器人在轨执行接触性操作任务时，很有必要对上述两个指标同时进行关注，并根据分析结果对潜在风险预警。现有的研究主要针对空间机器人接触碰撞力和基座姿态扰动单一目标进行优化，优化目标以“尽可能小”等定性语句阐述，然而由于这两个重要指标不具有一致性甚至空间机器人某些构型下存在相反的可能，即一种指标得到优化另外一种指标可能会变差，这种定性的优化不能确保通过优化一种指标使得两种指标同时满足要求。本专利技术提出一种自由漂浮空间机器人接触操作风险评估方法，基于两种指标形成风险预判区域，可客观定量描述空间机器人接触操作风险程度，同时可为风险指标优化提供直观定量的参考目标。
[0003]目前在机器人碰撞风险评估方面，主要有基于轨迹预测的风险评估方法、基于传感器的风险评估方法和基于障碍物运动姿态信息的风险评估方法，此类机器人碰撞风险评估方法旨在避免机器人与目标物发生不当接触碰撞而产生风险，其核心均为避免接触。而针对空间机器人系统，接触是其执行在轨操作的前提和基础，因此上述风险评估方法并不适用。经过广泛的调研目前尚未见到针对空间机器人接触操作风险评估的方法，大多数学者致力于对空间机器人最大接触碰撞力(接触碰撞脉冲)和基座姿态扰动等单个风险指标进行推导和优化，优化目标以“尽可能小”等定性语句阐述，然而由于这两个重要指标不具有一致性甚至空间机器人某些构型下存在相反的可能，即一种指标得到优化另外一种指标可能会变差，这种定性的优化不能确保通过优化一种指标使得两种指标同时满足要求。此外，当某些指标本就在安全区域内时，没有必要浪费太空中宝贵的资源对其进行优化。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供空间机器人接触操作的风险判定方法、系统、介质及设备。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种空间机器人接触操作的风险判定方法，包括：
[0006]步骤1，输入模块获取空间机器人的风险判断参数；
[0007]步骤2，风险评估模块基于所述风险判断参数计算最大接触碰撞力以及基座姿态
扰动二范数；
[0008]步骤3，输出模块基于所述最大接触碰撞力以及所述基座姿态扰动二范数得出风险等级判定结果。
[0009]本专利技术的有益效果是：通过最大接触碰撞力以及基座姿态扰动二范数的获取可以避免机器人与目标物发生不当接触碰撞而产生风险，且，本申请结合了上述两个条件，相较于现有技术中仅针对一种条件进行风险评估的判断方法根据有准确性，另外还可以有效减少太空中宝贵的资源的浪费情况。
[0010]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0011]进一步，步骤2具体包括：
[0012]风险评估模块根据接触碰撞力F的计算公式对所述风险判断参数进行计算得到最大接触碰撞力，根据姿态变化量计算公式对所述风险判断参数进行计算得到基座姿态扰动二范数；
[0013]其中，所述接触碰撞力F的计算公式的建立过程具体为：
[0014]风险评估模块基于所述空间机器人的关节角度以及基座位姿构建动力学模型，基于所述动力学模型构建所述空间机器人的改进等效质量模型，基于接触碰撞力模型以及所述改进等效质量模型构建接触碰撞力F的计算公式；
[0015]所述姿态变化量计算公式的建立过程具体为：
[0016]基于所述动力学模型，得出姿态变化量计算公式。
[0017]进一步，所述动力学模型具体为：
[0018][0019]其中，为所述空间机器人的基座的线加速度，为所述空间机器人的基座的角加速度，为所有关节角的角加速度，(
·
)
T
代表矩阵的转置；C＝[c
b
,c
m
]T
，c
b
和c
m
分别代表所述空间机器人的基座和所述空间机器人的机械臂相关的非线性速度依赖项；F
b_m
＝[F
bT
,τ
mT
]T
，F
b
＝[f
bT
,τ
bT
]T
，f
b
和τ
b
分别为基座所受外力和外力矩，τ
m
为所述机械臂所有关节的输出力矩；F
e
代表施加在机械臂末端的力或力矩；J
b_m
代表空间机器人系统增广雅克比矩阵。
[0020]进一步，所述基于所述动力学模型构建所述空间机器人的改进等效质量模型具体为：
[0021]风险评估模块构建空间机器人的机械臂末端的速度计算公式，基于所述速度计算公式以及所述动力学模型构建改进等效质量模型，所述改进等效质量模型具体为：
[0022][0023]其中，u代表所述机械臂末端施加力的单位方向矢量，J
b_mv
代表空间机器人系统线速度增广雅克比矩阵。
[0024]进一步，所述F计算公式具体为：
[0025][0026]其中，为机械臂末端与目标物接接触碰撞初始时刻相对速度，c
r
为接触环境恢复系数，K为接触环境刚度系数，δ为机械臂末端与目标物接触碰撞压缩量，α为常量，λ为接触环境磁滞阻尼系数，为机械臂末端与目标物接触碰撞压缩速度。
[0027]进一步，所述步骤3具体为：
[0028]输出模块基于所述最大接触碰撞力、所述基座姿态扰动二范数以及风险阈值进行风险等级判定；
[0029]其中，所述风险阈值通过机械设计标准以及任务需求设计划分得出。
[0030]进一步，所述风险判断参数包括：
[0031]空间机器人的基座位姿、关节角度、机械臂末端速度，目标物的质量以及速度，接触环境的杨氏模量和泊松比、接触点处曲率半径和接触碰撞力方向。
[0032]本专利技术解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种空间机器人接触操作的风险判定系统，包括：
[0033]输入模块，用于获取空间机器人的风险判断参数；
[0034]风险评估模块，用于基于所述风险判断参数计算最大接触碰撞力以及基座姿态扰动二范数；
[0035]输出模块，用于基于所述最大接触碰撞力以及所述基座姿态扰动二范数得出风险等级判定结果。
[0036]本专利技术的有益效果是：通过最大接触碰撞力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间机器人接触操作的风险判定方法，其特征在于，包括：步骤1，输入模块获取空间机器人的风险判断参数；步骤2，风险评估模块基于所述风险判断参数计算最大接触碰撞力以及基座姿态扰动二范数；步骤3，输出模块基于所述最大接触碰撞力以及所述基座姿态扰动二范数得出风险等级判定结果。2.根据权利要求1所述的一种空间机器人接触操作的风险判定方法，其特征在于，步骤2具体包括：所述风险评估模块根据接触碰撞力F的计算公式对所述风险判断参数进行计算得到最大接触碰撞力，根据姿态变化量计算公式对所述风险判断参数进行计算得到基座姿态扰动二范数；其中，所述接触碰撞力F的计算公式的建立过程具体为：所述风险评估模块基于所述空间机器人的关节角度以及基座位姿构建动力学模型，基于所述动力学模型构建所述空间机器人的改进等效质量模型，基于接触碰撞力模型以及所述改进等效质量模型构建接触碰撞力F的计算公式；所述姿态变化量计算公式的建立过程具体为：基于所述动力学模型，得出姿态变化量计算公式。3.根据权利要求2所述的一种空间机器人接触操作的风险判定方法，其特征在于，所述动力学模型具体为：其中，其中，为所述空间机器人的基座的线加速度，为所述空间机器人的基座的角加速度，为所有关节角的角加速度，(
·
)
T
代表矩阵的转置；C＝[c
b
,c
m
]
T
，c
b
和c
m
分别代表所述空间机器人的基座和所述空间机器人的机械臂相关的非线性速度依赖项；F
b_m
＝[F
bT
,τ
mT
]
T
，F
b
＝[f
bT
,τ
bT
]
T
，f
b
和τ
b
分别为基座所受外力和外力矩，τ
m
为所述机械臂所有关节的输出力矩；F
e
代表...

【专利技术属性】
技术研发人员：张龙，王蜀泉，
申请(专利权)人：中国科学院空间应用工程与技术中心，
类型：发明
国别省市：