一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法及系统，该方法包括：通过面向在轨组装的渐增式大型空间结构动力学建模方法，构建空间结构渐增式动力学模型；基于机器人自由度广义坐标与结构自由度广义坐标获取耦合机器人系统的拉格朗日量，并构建机器人系统拉格朗日方程；将机器人的拉格朗日量代入至空间结构渐增式动力学模型，得到空间结构

【技术实现步骤摘要】
一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法及系统


[0001]本专利技术涉及耦合动力学建模
，尤其涉及一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法及系统
。

技术介绍

[0002]在空间结构的动力学建模方面，早期有哑铃结构，杆结构和梁结构的在轨动力学模型
。
也有针对细长桁架式天线结构的力学性能分析，讨论了其动力学响应的规律
。
目前多使用有限元方法，或者使用连续模型进行力学分析
。
上述建模方法或是面向已经建立完成的结构，无法反映大型空间结构在组装过程中的模型变化问题；空间结构的自动化组装需要依赖于空间机器人，目前主要分为固定式机器人，飞行机器人和移动型机器人
。
移动型机器人依靠在空间结构上爬行来进行任务
。
移动机器人具有重量轻
、
灵活性高的特点，能够较好的完成在轨组装与维修等任务
。
但其运动也会对大型空间结构带来耦合的动力学特性，而面向机器人在轨组装过程的耦合动力学建模研究较少，考虑的模型也多为漂浮机器人，对于爬行机器人耦合动力学仍较少或模型较为简单，仍不能很好地描述空间结构与机器人的耦合动力学效应
。
对于大型空间结构的振动控制，以及组装过程中光学设备精度的需要，仍不能很好满足
。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法及系统，能够很好地描述组装空间结构组装过程结构参数跃变条件下的系统动态特性并提高动力学的分析效率
。
[0004]本专利技术所采用的第一技术方案是：一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法，包括以下步骤：
[0005]通过面向在轨组装的渐增式大型空间结构动力学建模方法，构建空间结构渐增式动力学模型；
[0006]基于机器人自由度广义坐标与结构自由度广义坐标获取耦合机器人系统的拉格朗日量，并构建机器人系统拉格朗日方程；
[0007]将机器人系统拉格朗日方程与空间结构渐增式动力学模型进行结合，得到空间结构
‑
机器人耦合动力学模型
。
[0008]进一步，所述通过面向在轨组装的渐增式大型空间结构动力学建模方法，构建空间结构渐增式动力学模型这一步骤，其具体包括：
[0009]通过使用杆件单元进行有限元建模，构建桁架单元动力学模型基础库，所述桁架单元的动力学模型基础库包括若干个节点与若干个杆件单元；
[0010]获取桁架单元动力学模型基础库的基础结构参数，所述基础结构参数包括杆件单元的刚度矩阵与杆件单元的质量矩阵；
[0011]基于桁架单元动力学模型基础库，构建坐标转换矩阵；
[0012]通过坐标转换矩阵分别对杆件单元的刚度矩阵与杆件单元的质量矩阵进行坐标转换处理，得到转换坐标后的刚度矩阵和转换坐标后的质量矩阵；
[0013]对转换坐标后的刚度矩阵和转换坐标后的质量矩阵进行线性组合，构建瑞利阻尼矩阵；
[0014]考虑瑞利阻尼矩阵，根据预设组装规则对桁架单元动力学模型基础库进行组装，构建空间结构渐增式动力学模型
。
[0015]进一步，所述基于桁架单元动力学模型基础库，构建坐标转换矩阵这一步骤，其具体包括：
[0016]对桁架单元的动力学模型基础库中的若干个节点与若干个杆件单元分别进行标号排序，得到排序结果；
[0017]根据排序结果确定每个节点与每个杆件单元在三维空间中的坐标与姿态；
[0018]根据每个节点与每个杆件单元在三维空间中的坐标与姿态构建坐标转换矩阵
。
[0019]进一步，所述考虑瑞利阻尼矩阵，根据预设组装规则对桁架单元动力学模型基础库进行组装，构建空间结构渐增式动力学模型这一步骤，其具体包括：
[0020]根据排序结果设置组装序列与最大组装步数；
[0021]根据组装序列进行迭代组装并确定桁架单元动力学模型基础库的邻接矩阵；
[0022]根据桁架单元动力学模型基础库的邻接矩阵确定重复节点的自由度；
[0023]对重复节点的自由度对应的质量矩阵与刚度矩阵进行加和处理，得到加和结果；
[0024]根据加和结果更新桁架单元动力学模型基础库的瑞利阻尼矩阵；
[0025]循环上述邻接矩阵的确定步骤与瑞利阻尼矩阵更新步骤，直至组装步数达到最大组装步数，输出空间结构渐增式动力学模型
。
[0026]进一步，所述空间结构渐增式动力学模型的表达式具体如下所示：
[0027][0028]上式中，
x(t)
表示每一个节点的三维位移，
F
node
(t)
表示对每个节点三维的时序激励力输入，下标
a
表示总矩阵，
M
表示质量矩阵，
C
表示瑞利阻尼矩阵，
K
表示刚度矩阵，和分别表示
x(t)
对时间的一阶和二阶导数，即节点的位移速度和加速度，
t
表示时间
。
[0029]进一步，所述基于机器人自由度广义坐标与结构自由度广义坐标获取耦合机器人系统的拉格朗日量，并构建机器人系统拉格朗日方程这一步骤，其具体包括：
[0030]考虑机器人的移动步态与机器人的质量参数，将机器人简化为二维连杆模型，获取系统广义坐标，所述二维连杆模型表示具有一个结构基座竖向位移的自由度及若干个关节自由度的连杆机械臂，所述连杆机械臂包括第一连杆
、
第二连杆和第三连杆；
[0031]分别获取第一连杆
、
第二连杆和第三连杆的质心位置坐标并进行求导，得到连杆质心的速度矢；
[0032]根据连杆质心的速度矢与耦合系统自由度广义坐标获取机器人的总动能和机器人的总势能；
[0033]将机器人的总动能和机器人的总势能进行作差计算处理，得到机器人系统的拉格朗日量；
[0034]基于系统的拉格朗日量构建机器人系统拉格朗日方程
。
[0035]进一步，所述将机器人系统拉格朗日方程与空间结构渐增式动力学模型进行结
合，得到空间结构
‑
机器人耦合动力学模型这一步骤，其具体包括：
[0036]获取筛选矩阵，所述筛选矩阵用于确定机器人在组装结构上的节点位置与方向；
[0037]构建筛选矩阵与矩阵形式的空间结构渐增式动力学模型的关系式并将机器人系统拉格朗日方程代入，得到空间结构
‑
机器人耦合动力学模型
。
[0038]进一步，所述空间结构
‑
机器人耦合动力学模型的表达式具体如下所示：
[0039][0040]上式中，
B
T
表示筛选矩阵的转置矩阵，
τ
表示外力输入，
D
r
、D
rs
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：通过面向在轨组装的渐增式大型空间结构动力学建模方法，构建空间结构渐增式动力学模型；基于机器人自由度广义坐标与结构自由度广义坐标获取耦合机器人系统的拉格朗日量，并构建机器人系统拉格朗日方程；将机器人系统拉格朗日方程与空间结构渐增式动力学模型进行结合，得到空间结构
‑
机器人耦合动力学模型
。2.
根据权利要求1所述一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法，其特征在于，所述通过面向在轨组装的渐增式大型空间结构动力学建模方法，构建空间结构渐增式动力学模型这一步骤，其具体包括：通过使用杆件单元进行有限元建模，构建桁架单元动力学模型基础库，所述桁架单元的动力学模型基础库包括若干个节点与若干个杆件单元；获取桁架单元动力学模型基础库的基础结构参数，所述基础结构参数包括杆件单元的刚度矩阵与杆件单元的质量矩阵；基于桁架单元动力学模型基础库，构建坐标转换矩阵；通过坐标转换矩阵分别对杆件单元的刚度矩阵与杆件单元的质量矩阵进行坐标转换处理，得到转换坐标后的刚度矩阵和转换坐标后的质量矩阵；对转换坐标后的刚度矩阵和转换坐标后的质量矩阵进行线性组合，构建瑞利阻尼矩阵；考虑瑞利阻尼矩阵，根据预设组装规则对桁架单元动力学模型基础库进行组装，构建空间结构渐增式动力学模型
。3.
根据权利要求2所述一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法，其特征在于，所述基于桁架单元动力学模型基础库，构建坐标转换矩阵这一步骤，其具体包括：对桁架单元的动力学模型基础库中的若干个节点与若干个杆件单元分别进行标号排序，得到排序结果；根据排序结果确定每个节点与每个杆件单元在三维空间中的坐标与姿态；根据每个节点与每个杆件单元在三维空间中的坐标与姿态构建坐标转换矩阵
。4.
根据权利要求3所述一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法，其特征在于，所述考虑瑞利阻尼矩阵，根据预设组装规则对桁架单元动力学模型基础库进行组装，构建空间结构渐增式动力学模型这一步骤，其具体包括：根据排序结果设置组装序列与最大组装步数；根据组装序列进行迭代组装并确定桁架单元动力学模型基础库的邻接矩阵；根据桁架单元动力学模型基础库的邻接矩阵确定重复节点的自由度；对重复节点的自由度对应的质量矩阵与刚度矩阵进行加和处理，得到加和结果；根据加和结果更新桁架单元动力学模型基础库的瑞利阻尼矩阵；循环上述邻接矩阵的确定步骤与瑞利阻尼矩阵更新步骤，直至组装步数达到最大组装步数，输出空间结构渐增式动力学模型
。5.
根据权利要求4所述一种面向机器人在轨组装的耦合动力学建模方法，其特征在于，所述空间结构渐增式动力学模型的表达式具体如下所示：
上式中，
x(t)
表示每一个节点的三维位移，
F
node
(t)
表示对每个节点三维的时序激励力输入，下标
a
表示总矩阵，
M
表示质量矩阵，
C
表示瑞利阻尼矩阵，
K
表示刚度矩阵，和分别表示
...

【专利技术属性】
技术研发人员：万文琦，邬树楠，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：