一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统，包括：依据常态下空间机械臂数学模型，通过锁定除被动关节和主动关节外的所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型；依据所述二自由度欠驱动机械臂模型，考虑被动关节粘性摩擦力，获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间的动力学耦合关系；依据所述动力学耦合关系，通过前置主动关节运动规划，实现被动关节的关节角度调整。本发明专利技术实现了关节故障情况下，空间模块化高冗余自由度机械臂的可重构构型调整。在不降低动力学模型准确性的前提下简化动力学模型，可大大提高关节角度调整效率和难度，且适用范围广。且适用范围广。且适用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统，属于空间机械臂控制


技术介绍

[0002]随着国内外航天工程的发展，空间机械臂将在其中发挥愈发重要的作用。空间机械臂由于其跨度大、操作灵活、负载能力强等特点，被广泛用于协助或替代宇航员高效、经济、安全地完成各类在轨任务。模块化冗余自由度空间机械臂具有更好的灵活性和冗余容错能力，即使产生单关节故障后，可以转为六自由度机械臂继续执行操作任务，然而，故障关节角度对整臂的可操作度有重大的影响，在某些角度下可能导致冗余自由度空间机械臂无法进行重构。因此，需要提出一种高自由度欠驱动机械臂动力学耦合关系描述算法，通过其它主动关节调整故障关节角度，为模块化冗余自由度机械臂的自主重构奠定基础。

技术实现思路

[0003]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统，实现关节故障情况下，空间模块化高冗余自由度机械臂的可重构构型调整。
[0004]本专利技术的技术解决方案是：
[0005]一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法，包括：
[0006]依据常态下空间机械臂数学模型，通过锁定除被动关节和主动关节外的所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型；
[0007]依据所述二自由度欠驱动机械臂模型，考虑被动关节粘性摩擦力，获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间的动力学耦合关系；
[0008]依据所述动力学耦合关系，通过主动关节运动规划，实现被动关节的关节角度调整。
[0009]进一步的，所述被动关节指发生自由摆动故障的关节，主动关节指运动和力矩输出能力正常的关节。
[0010]进一步的，锁定除被动关节和前置主动关节外所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型，具体为：
[0011]当J
k
发生自由摆动故障时，将J
k
作为被动关节，而J
k
‑1作为主动关节对J
k
进行调整；其余关节J1,
…
,J
k
‑2,J
k+1
,
…
,J
n
锁定于当前角度θ1,
…
,θ
k
‑2,θ
k+1
,
…
,θ
n
；
[0012]对于锁定后的机械臂，定义连杆L1,L2,
…
,L
k
‑2固连成为基座，连杆L
k
‑1为主动连杆L
a
，连杆L
k+1
,L
k+2
,
…
,L
n
与连杆L
k
固连为被动连杆L
p
；
[0013]重新建立坐标系Σ
a
、坐标系Σ
p
，此时机械臂转化为只包含主动关节J
k
‑1和被动关节J
k
的二自由度欠驱动机械臂；坐标系Σ
a
与原坐标系Σ
k
‑1重合，坐标系Σ
p
与原坐标系Σ
k
重合；
[0014]其中，机械臂总自由度数目为n，L
k
表示连杆k，J
k
表示连接L
k
‑1与L
k
的关节k，Σ
k
表示连杆L
k
的坐标系，规定l
k
表示连接关节J
k
到J
k+1
的矢量。
[0015]进一步的，二自由度欠驱动机械臂模型的动力学参数获取方式具体为：
[0016]根据关节J
k+1
,J
k+2
,
…
,J
n
所对应的关节角度θ
k+1
,θ
k+2
,
…
,θ
n
，计算相邻连杆间的齐次变换矩阵
[0017]根据各连杆质心相对于自身坐标系的矢量及相邻连杆间齐次变换矩阵，求得各连杆质心相对于其基坐标系Σ
p
的矢量为：
[0018][0019]基于上式，求得被动连杆L
i
，i＝k+1,k+2,
…
,n，的质心相对于坐标系Σ
k
的矢量r
ki
为：
[0020][0021]r
ki
表示连杆L
i
的质心在坐标系Σ
k
中的矢量，m
k
表示连杆L
k
的质量。
[0022]进一步的，依据所述二自由度欠驱动机械臂模型，考虑被动关节粘性摩擦力，获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间动力学耦合关系，具体包括：
[0023](1)主动关节与被动关节轴线垂直时，获得欠驱动机械臂主动关节J
k
‑1与被动关节J
k
间动力学耦合关系为：
[0024][0025]式中，m
i
为机械臂模型连杆L
i
的质量；θ
k
,分别为被动关节J
k
的关节角度、速度及加速度；为主动关节J
k
‑1的加速度；
[0026]D＝d
k
+(r
pi
)3，其中(r
pi
)
j
为被动连杆L
p
内各连杆质心相对于被动连杆坐标系Σ
p
矢量r
pi
的第j项，d
k
为连杆L
k
的D
‑
H参数中的连杆偏置项；μ为被动关节粘性摩擦因数；
[0027](2)主动关节与被动关节轴线平行时，获得欠驱动机械臂主动关节J
k
‑1与被动关节J
k
间动力学耦合关系为：
[0028][0029]进一步的，本专利技术还提出一种模块化空间机械臂可重构构型调整系统，包括：
[0030]模型等效模块：依据常态下空间机械臂数学模型，通过锁定除被动关节和主动关
节外的所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型；
[0031]动力学耦合关系生成模块：依据所述二自由度欠驱动机械臂模型，考虑被动关节粘性摩擦力，获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间的动力学耦合关系；
[0032]构型调整模块：依据所述动力学耦合关系，通过主动关节运动规划，实现被动关节的关节角度调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法，其特征在于包括：依据常态下空间机械臂数学模型，通过锁定除被动关节和主动关节外的所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型；依据所述二自由度欠驱动机械臂模型，考虑被动关节粘性摩擦力，获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间的动力学耦合关系；依据所述动力学耦合关系，通过主动关节运动规划，实现被动关节的关节角度调整。2.根据权利要求1所述的一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法，其特征在于：所述被动关节指发生自由摆动故障的关节，主动关节指运动和力矩输出能力正常的关节。3.根据权利要求1所述的一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法，其特征在于：锁定除被动关节和前置主动关节外所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型，具体为：当J
k
发生自由摆动故障时，将J
k
作为被动关节，而J
k
‑1作为主动关节对J
k
进行调整；其余关节J1,
…
,J
k
‑2,J
k+1
,
…
,J
n
锁定于当前角度θ1,
…
,θ
k
‑2,θ
k+1
,
…
,θ
n
；对于锁定后的机械臂，定义连杆L1,L2,
…
,L
k
‑2固连成为基座，连杆L
k
‑1为主动连杆L
a
，连杆L
k+1
,L
k+2
,
…
,L
n
与连杆L
k
固连为被动连杆L
p
；重新建立坐标系Σ
a
、坐标系Σ
p
，此时机械臂转化为只包含主动关节J
k
‑1和被动关节J
k
的二自由度欠驱动机械臂；坐标系Σ
a
与原坐标系Σ
k
‑1重合，坐标系Σ
p
与原坐标系Σ
k
重合；其中，机械臂总自由度数目为n，L
k
表示连杆k，J
k
表示连接L
k
‑1与L
k
的关节k，Σ
k
表示连杆L
k
的坐标系，规定l
k
表示连接关节J
k
到J
k+1
的矢量。4.根据权利要求3所述的一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法，其特征在于：二自由度欠驱动机械臂模型的动力学参数获取方式具体为：根据关节J
k+1
,J
k+2
,
…
,J
n
所对应的关节角度θ
k+1
,θ
k+2
,
…
,θ
n
，计算相邻连杆间的齐次变换矩阵根据各连杆质心相对于自身坐标系的矢量及相邻连杆间齐次变换矩阵，求得各连杆质心相对于其基坐标系Σ
p
的矢量为：基于上式，求得被动连杆L
i
，i＝k+1,k+2,
…
,n，的质心相对于坐标系Σ
k
的矢量r
ki
为：r
ki
表示连杆L
i
的质心在坐标系Σ
k
中的矢量，m
k
表示连杆L
k
的质量。5.根据权利要求3所述的一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法，其特征在于：依据所述二自由度欠驱动机械臂模型，考虑被动关节粘性摩擦力，获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间动力学耦合关系，具体包括：
(1)主动关节与被动关节轴线垂直时，获得欠驱动机械臂主动关节J
k
‑1与被动关节J
k
间动力学耦合关系为：式中，m
i
为机械臂模型连杆L
i
的质量；分别为被动关节J
k
的关节角度、速度及加速度；为主动关节J
k
‑1的加速度；其中(r
pi
)
j
为被动连杆L
p
内各连杆质心相对于被动连杆坐标系Σ
p
矢量r
pi
的第j项，d
k
为连杆L
k
的D
‑
H参数中的连杆偏置项；μ为被动关节粘性摩擦因数；(2)主动关节与被动关节轴线平行时，获得欠驱动机械臂主动关节J
k
‑1与被动关节J
k
间动力学耦合关系为：6.一种根据权利要求1所述的模块化空间机械臂可重构构型调整方法实现的模块化空间机械臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓东，李剑飞，梁常春，王友渔，赵志军，刘鑫，周轶丁，熊明华，许哲，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：