CN104985586B - 一种变构型空间机器人及路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变构型空间机器人及路径规划方法，变构型空间机器人中的任意两部第六臂杆互相捕获，形成闭环结构；解锁待改变构型的臂杆中的被动圆柱铰；将闭环结构等效为开环***：以解锁的被动圆柱铰为分界，将整个闭环结构划分为两段，一段总自由度数较多，另一段总自由度数较少，两段中通过被动圆柱铰相连的两臂杆受到被动圆柱铰的约束；确定总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律；所述端部臂杆为与被动圆柱铰相连的两臂杆；根据步骤(4)中的总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律，求解各个关节角时间序列。本发明实现了机械臂的自主变构型，提高了机械臂在轨操作能力。

Description

一种变构型空间机器人及路径规划方法

技术领域

本发明涉及一种变构型空间机器人及路径规划方法，特别涉及一种基于奇异度量避免机器人奇异的路径规划算法和自主变构型机器人设计，属于空间机器人领域。

背景技术

使用空间机器人对超出服役期或出现故障的航天器进行回收、维护、再利用，可以节约大量的人力资源和资金。但是由于空间机器人捕获目标是一项复杂的空间操作，通常机械臂的构型参数(臂杆长度、关节转轴方向等)是针对某一特定的任务设计。为了使机械臂具有更强的通用性，降低整个航天任务的成本，期望机械臂具有变构型、变臂杆长度的特点。为此，一种“被动圆柱铰”机构被设计。被动圆柱铰连接了两个刚性臂杆，内部有被动锁死装置。在平时操作中，圆柱铰内部锁死，固定两个刚性体间的相对平动和转动。在空间机器人变构型过程中，机械臂末端作动器捕获空间机器人平台上某一点，或者两部机械臂的末端作动器互相捕获形成闭环结构，然后释放被动圆柱铰内部的锁死机构，通过在其余关节上施加力矩，改变两个刚体间的相对平动和转动，实现机械臂自主的变构型过程。

被动圆柱铰这种新型铰链的加入，给***运动规划带来难题——活动自由度增大，且需要规划铰链内部的运动。现有的研究仅针对铰链数目较少的变构型机械臂***，算法适用性还无法满足在轨应用的需求。此外，由于空间机器人自由度较多，构型容易陷入奇异，需要设计路径规划算法在实现空间机器人变构型的同时，避免构型奇异，目前国内外还没有一种适合于多自由度数的变构型机械臂***的路径规划方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种变构型空间机器人及路径规划方法，实现了机械臂的自主变构型，提高了机械臂在轨操作能力。

本发明的方法是通过下述技术方案实现的。

一种自主变构型空间机器人包括：第一刚体、第二刚体、被动圆柱铰、空间机器人平台、多个机器臂；其中每个机械臂又包括第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆、第四臂杆、第五臂杆和第六臂杆；第二臂杆又包括臂杆A和臂杆B，第三臂杆又包括臂杆C和臂杆D；

第一刚体、第二刚体通过被动圆柱铰相连；

第一臂杆的一端通过柱铰与空间机器人平台相连、第一臂杆的另一端通过柱铰与臂杆A的一端相连；

臂杆A的另一端通过被动圆柱铰与臂杆B的一端相连；臂杆B的另一端通过柱铰与臂杆C的一端相连；

臂杆C的另一端通过被动圆柱铰与臂杆D的一端相连；臂杆D的另一端通过柱铰与第四臂杆的一端相连；

第四臂杆的另一端通过柱铰与第五臂杆的一端相连；第五臂杆的另一端通过柱铰与第六臂杆的一端相连。

一种用于变构型空间机器人的路径规划方法，包括步骤如下：

(1)变构型空间机器人中的任意两部第六臂杆互相捕获，形成闭环结构；

(2)解锁待改变构型的臂杆中的被动圆柱铰，使该被动圆柱铰连接的两个刚体能够发生相对平动和转动；

(3)将步骤(1)中的闭环结构等效为开环***：以步骤(2)中解锁的被动圆柱铰为分界，将整个闭环结构划分为两段，一段总自由度数较多，另一段总自由度数较少，两段中通过被动圆柱铰相连的两臂杆受到被动圆柱铰的约束；

(4)根据变构型需求，确定总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律；所述端部臂杆为与被动圆柱铰相连的两臂杆；

(5)根据步骤(4)中的总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律，求解各个关节角时间序列。

步骤(4)中确定总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律的具体方式如下：确定总自由度数较少的机械臂的端部臂杆相对于空间机器人平台保持不动，然后计算出总自由度数较多的机械臂的端部臂杆，相对于总自由度数较少的机械臂的端部臂杆的运动规律，最终将总自由度数较多的机械臂的端部臂杆相对于总自由度数较少的机械臂的端部臂杆的运动规律，通过坐标变换转化为总自由度数较多的机械臂的端部臂杆相对于空间机器人平台的位置R_tip和姿态Ω_tip的运动规律。

步骤(5)中求解各个关节角时间序列的具体实现方式如下：

(5.1)建立步骤(4)中总自由度数较多的机械臂的端部臂杆与这段中其他各个关节角间的运动学关系：

其中，q表示总自由度数较多的机械臂中各个关节角组成的矩阵，表示各个关节角速度；J(q)表示q的雅克比矩阵；

(5.2)确定总自由度数较多的机械臂的奇异度量指标m：

(5.3)对奇异度量指标m求导得到

其中，J⁺(q)表示雅克比矩阵J(q)的广义逆；k表示待定向量；I表示单位矩阵，阶数与总自由度数较多的机械臂的自由度数；

(5.4)为保证m始终有增大的趋势，即保证则可得到时，能够保证

(5.5)根据步骤(5.4)得到的k以及步骤(5.1)的运动学关系，求解各个关节角速度：

(5.6)对步骤(5.5)得到的各个关节角速度进行积分，得到各个关节角时间序列。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

1.本发明的一种能够自主变构型的空间机器人，基于被动圆柱铰设计，增加空间机器人活动自由度，使其具备变构型的功能，提高了空间机器人在轨操作的能力。

2.本发明的一种空间机器人自主变构型的路径规划方法，根据空间机器人变构型阶段的特点，利用***自由度冗余的特性，定义了构型奇异指标，设计使指标持续增大的路径规划算法，能够避免在机器人重构过程中陷入奇异。

3.本发明的一种空间机器人自主变构型的路径规划方法，具有普适性，能够进行推广，即该方法不仅适用于变构型空间机器人，而且适用于普通机器人和一般多自由度运动***的规划。

附图说明

图1为本发明机械臂组成示意图；

图2为本发明被动圆柱铰示意图；

图3为本发明变构型空间机器人结构示意图；

图4为本发明臂杆长度改变时闭环***示意图；

图5为本发明臂杆长度改变时等效的开环***示意图

图6为本发明臂杆被拉伸后***的构型示意图；

图7为本发明机械臂各个转动关节的相对转动角速度；

图8为本发明臂杆A10和臂杆B11相对转动和平移示意图；

图9为本发明奇异度量结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构组成和工作原理做进一步解释。

如图1、2、3所示，一种自主变构型空间机器人包括：第一刚体1、第二刚体2、被动圆柱铰3、空间机器人平台4、多个机器臂(本实施例中采用3个机械臂，如图2所示，机械臂5、机械臂6、机械臂7)；其中每个机械臂又包括第一臂杆8、第二臂杆9、第三臂杆12、第四臂杆15、第五臂杆16和第六臂杆17；第二臂杆9又包括臂杆A10和臂杆B11，第三臂杆12又包括臂杆C13和臂杆D14；

第一刚体1、第二刚体2通过被动圆柱铰3相连第一刚体1和第二刚体2均为圆柱体。

第一臂杆8的一端通过柱铰与空间机器人平台4相连、第一臂杆8的另一端通过柱铰与臂杆A10的一端相连；

臂杆A10的另一端通过被动圆柱铰3与臂杆B11的一端相连；臂杆B11的另一端通过柱铰与臂杆C13的一端相连；

臂杆C13的另一端通过被动圆柱铰3与臂杆D14的一端相连；臂杆D14的另一端通过柱铰与第四臂杆15的一端相连；

第四臂杆15的另一端通过柱铰与第五臂杆16的一端相连；第五臂杆16的另一端通过柱铰与第六臂杆17的一端相连。

多个机械臂之间可以通过各自的第六臂杆17相互捕获形成闭环结构。第六臂杆17的末端带有作动器。

被动圆柱铰(3)为被动锁死结构，内部不包含主动施加控制力和力矩的执行机构，仅存在两种状体，被动锁死和解锁；当该铰链锁死时，不允许其连接的两个刚体发生相对平动和转动；反之，能够相对运动，从而改变这两个刚体组成的臂杆的长度和相对转角。平时操作中，被动圆柱铰锁死，机械臂可以完成对目标的捕获以及机械臂之间相互捕获形成闭环结构等操作。当需要改变机械臂构型时，两部机械臂的末端作动器(末端机械臂)互相捕获，形成闭环结构；解锁某一个被动圆柱铰，允许其连接的两个刚体发生相对平动和转动，通过在其余关节上施加控制力矩，改变机械臂构型(包括臂杆长度和臂杆间转角)。

一种用于权利要求1所述的变构型空间机器人的路径规划方法，包括步骤如下：

(1)变构型空间机器人中的任意两部第六臂杆互相捕获，形成闭环结构；

(2)解锁待改变构型的臂杆中的被动圆柱铰，使该被动圆柱铰连接的两个刚体能够发生相对平动和转动；例如图4中的臂杆A10和臂杆B11之间的被动圆柱铰3是待解锁的被动圆柱铰，臂杆A10和臂杆B11组成的机械臂是需要改变构型的机械臂；

(3)将步骤(1)中的闭环结构等效为开环***：以步骤(2)中解锁的被动圆柱铰为分界，将整个闭环结构划分为两段，一段总自由度数较多，另一段总自由度数较少，两段中通过被动圆柱铰相连的两臂杆受到被动圆柱铰的约束；

如图4所示，两个机械臂18和19的第六臂杆17相互捕获形成闭环***(虚线内的部分为机械臂18和19)，然后以被动圆柱铰3为界进行开环***等效，可以明显看出臂杆A11所在的一侧的机械臂总自由度数较多(包括机械臂18除臂杆A10以外的臂杆和机械臂19)；，如图5所示，为等效开环***示意图，图6为机械臂变形示意图，臂杆A10和臂杆B11并拉开。

(4)根据变构型需求(例如拉伸臂杆到一定长度，或改变被动圆柱铰两端的臂杆的相对转角等需求)，确定总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律；所述端部臂杆为与被动圆柱铰相连的两臂杆；

确定总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律的具体方式如下：确定总自由度数较少的机械臂的端部臂杆相对于空间机器人平台保持不动，然后计算出总自由度数较多的机械臂的端部臂杆，相对于总自由度数较少的机械臂的端部臂杆的运动规律(通过五次多项式的规划等方法能够求解出，为本领域技术人员公知)，最终将总自由度数较多的机械臂的端部臂杆相对于总自由度数较少的机械臂的端部臂杆的运动规律，通过坐标变换转化为总自由度数较多的机械臂的端部臂杆相对于空间机器人平台的位置R_tip和姿态Ω_tip的运动规律。

(5)根据步骤(4)中的总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律，求解各个关节角时间序列。

步骤(5)中求解各个关节角时间序列的具体实现方式如下：

(5.1)建立步骤(4)中总自由度数较多的机械臂的端部臂杆与这段中其他各个关节角间的运动学关系：例如图5中的臂杆B11与其所在的一段中的其他关节角，图6中的圆圈表示关节；

其中，q表示总自由度数较多的机械臂中各个关节角组成的矩阵，表示各个关节角速度；J(q)表示q的雅克比矩阵；

(5.2)确定总自由度数较多的机械臂的奇异度量指标m：

在轨迹规划算法中设计关节角运动规律，实现期望的臂杆长度和转角的改变，同时保证奇异度量增大，使机械臂远离奇异。从上式中可以看出，m≥0；当且仅当m＝0时，***的构型为奇异构型。

(5.3)对奇异度量指标m求导得到

其中，J⁺(q)表示雅克比矩阵J(q)的广义逆；k表示待定向量；I表示单位矩阵，阶数与总自由度数较多的机械臂的自由度数；(I-J⁺(q)J(q))k为机械臂的零运动，该部分不会影响机械臂端部的位置和姿态；

(5.4)为保证m始终有增大的趋势，即保证则可得到时，能够保证

(5.5)根据步骤(5.4)得到的k以及步骤(5.1)的运动学关系，求解各个关节角速度：

(5.6)对步骤(5.5)得到的各个关节角速度进行积分，得到各个关节角时间序列。

根据步骤(5.5)的计算结果，可得各个臂杆的转动角速度为图7所示。图8为臂杆B11相对臂杆A10的运动，图9为奇异度量m的响应，可见奇异度量始终增大，避免了构型奇异

本发明保护范围不仅局限于本实施例，本实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自主变构型空间机器人，其特征在于包括：第一刚体(1)、第二刚体(2)、被动圆柱铰(3)、空间机器人平台(4)、多个机械臂；其中每个机械臂又包括第一臂杆(8)、第二臂杆(9)、第三臂杆(12)、第四臂杆(15)、第五臂杆(16)和第六臂杆(17)；第二臂杆(9)又包括臂杆A(10)和臂杆B(11)，第三臂杆(12)又包括臂杆C(13)和臂杆D(14)；

第一臂杆(8)的一端通过柱铰与空间机器人平台(4)相连、第一臂杆(8)的另一端通过柱铰与臂杆A(10)的一端相连；

第四臂杆(15)的另一端通过柱铰与第五臂杆(16)的一端相连；第五臂杆(16)的另一端通过柱铰与第六臂杆(17)的一端相连；

臂杆A(10)和臂杆C(13)为第一刚体(1)，臂杆B(11)和臂杆D(14)为第二刚体(2)，第一刚体(1)、第二刚体(2)通过被动圆柱铰(3)相连，具体为：

臂杆A(10)的另一端通过被动圆柱铰(3)与臂杆B(11)的一端相连；臂杆B(11)的另一端通过柱铰与臂杆C(13)的一端相连；

臂杆C(13)的另一端通过被动圆柱铰(3)与臂杆D(14)的一端相连；臂杆D(14)的另一端通过柱铰与第四臂杆(15)的一端相连；

所述被动圆柱铰(3)为被动锁死结构，内部不包含主动施加控制力和力矩的执行机构，仅存在两种状体，被动锁死和解锁；当该铰链锁死时，不允许其连接的两个刚体发生相对平动和转动；反之，能够相对运动，从而改变这两个刚体组成的臂杆的长度和相对转角。

2.根据权利要求1所述的一种自主变构型空间机器人，其特征在于：所述第一刚体(1)和第二刚体(2)均为圆柱体。

3.根据权利要求1所述的一种自主变构型空间机器人，其特征在于：所述多个机械臂之间可以通过各自的第六臂杆(17)相互捕获形成闭环结构。

4.根据权利要求3所述的一种自主变构型空间机器人，其特征在于：所述第六臂杆(17)的末端带有作动器。

5.一种用于权利要求1所述的自主变构型空间机器人的路径规划方法，其特征在于步骤如下：

(1)变构型空间机器人中的任意两部第六臂杆互相捕获，形成闭环结构；

(2)解锁待改变构型的臂杆中的被动圆柱铰，使该被动圆柱铰连接的两个刚体能够发生相对平动和转动；

(3)将步骤(1)中的闭环结构等效为开环***：以步骤(2)中解锁的被动圆柱铰为分界，将整个闭环结构划分为两段，一段总自由度数较多，另一段总自由度数较少，两段中通过被动圆柱铰相连的两臂杆受到被动圆柱铰的约束；

(4)根据变构型需求，确定总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律；所述端部臂杆为与被动圆柱铰相连的两臂杆；

(5)根据步骤(4)中的总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律，求解各个关节角时间序列。

6.根据权利要求5所述的一种路径规划方法，其特征在于：所述步骤(4)中确定总自由度数较多的端部臂杆，相对于空间机器人平台的运动规律的具体方式如下：确定总自由度数较少的机械臂的端部臂杆相对于空间机器人平台保持不动，然后计算出总自由度数较多的机械臂的端部臂杆，相对于总自由度数较少的机械臂的端部臂杆的运动规律，最终将总自由度数较多的机械臂的端部臂杆相对于总自由度数较少的机械臂的端部臂杆的运动规律，通过坐标变换转化为总自由度数较多的机械臂的端部臂杆相对于空间机器人平台的位置R_tip和姿态Ω_tip的运动规律。

7.根据权利要求5所述的一种路径规划方法，其特征在于：所述步骤(5)中求解各个关节角时间序列的具体实现方式如下：

(5.1)建立步骤(4)中总自由度数较多的机械臂的端部臂杆与这段中其他各个关节角间的运动学关系：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{R}}_{tip}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_{tip}\end{array}\right]=J\left(q\right)\stackrel{\·}{q}$

其中，表示总自由度数较多的机械臂的端部臂杆相对于空间机器人平台的速度，表示总自由度数较多的机械臂的端部臂杆相对于空间机器人平台的姿态角速度，q表示总自由度数较多的机械臂中各个关节角组成的矩阵，表示各个关节角速度；J(q)表示q的雅克比矩阵；

(5.2)确定总自由度数较多的机械臂的奇异度量指标m：

$m=\sqrt{\det \left(J\right(q)J^T\left(q\right))}$

(5.3)对奇异度量指标m求导得到

$\stackrel{\·}{m}={\left(\frac{\∂m}{\∂q}\right)}^T{J}^{+}\left(q\right)\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{R}}_{tip}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_{tip}\end{array}\right]+{\left(\frac{\∂m}{\∂q}\right)}^T(I-J^{+}(q\left)J\right(q\left)\right)k$

其中，J⁺(q)表示雅克比矩阵J(q)的广义逆；k表示待定向量；I表示单位矩阵，阶数与总自由度数较多的机械臂的自由度数相同；

(5.4)为保证m始终有增大的趋势，即保证则可得到时，能够保证

(5.5)根据步骤(5.4)得到的k以及步骤(5.1)的运动学关系，求解各个关节角速度：

$\stackrel{\·}{q}=J^{+}\left(q\right)\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{R}}_{tip}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_{tip}\end{array}\right]+(I-J^{+}(q\left)J\right(q\left)\right)k$

$\stackrel{\·}{q}=J^{+}\left(q\right)\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{R}}_{tip}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_{tip}\end{array}\right]+(I-J^{+}(q\left)J\right(q\left)\right)\left(\frac{\∂m}{\∂q}\right)k_1,k_1>0;$

(5.6)对步骤(5.5)得到的各个关节角速度进行积分，得到各个关节角时间序列。