CN114683285A - 一种快捷空间机器人仿真建模方法及*** - Google Patents

一种快捷空间机器人仿真建模方法及*** Download PDF

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CN114683285A CN202210345623.7A CN202210345623A CN114683285A CN 114683285 A CN114683285 A CN 114683285A CN 202210345623 A CN202210345623 A CN 202210345623A CN 114683285 A CN114683285 A CN 114683285A
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Abstract

本发明涉及一种快捷空间机器人仿真建模方法，以机械臂的关节角、关节角速度、关节角加速度与飞轮控制力矩为输入，按预设时间步长循环解算机械臂的运动学模型、空间机器人质心运动学模型、机械臂安装运动学模型、机械臂的逆向动力学模型以及基座正向姿态动力学模型，求解得到空间机器人基座与机械臂的动力学仿真数据序列。本发明对空间机器人基座与机械臂动力学进行模块化建模，研究人员可以独立开发基座与所带各机械臂仿真模块，再利用本发明所述正逆动力学混合方法与空间复合运动学方法进行模块关联解算。以上特点有助于研究人员快捷高效地实现空间机器人仿真建模。

Description

一种快捷空间机器人仿真建模方法及***
技术领域
本发明属于空间飞行器在轨服务与维护技术领域，涉及一种模块化快捷空间机器人仿真建模方法。
背景技术
在轨服务与维护是航天技术的前沿热点之一，由服务飞行器对空间目标抵近后实施近距离观测、燃料加注、辅助变轨、模块更换、部件维修等服务操作，可实现目标卫星的在轨故障恢复、寿命延长，从而继续发挥在轨应用价值，产生极大的经济效益。
对目标卫星实施近距离服务操作，特别是模块更换、部件维修等精细操作任务，使用带机械臂的空间机器人卫星是最直接的方法。空间机器人的动力学仿真建模是在轨服务飞行器近距离操作任务分析与方案设计必不可少的工作。现有空间机器人动力学仿真建模多基于多体动力学软件实现。其多为商业软件，也有部分是开源软件，但均有如下缺点：软件规模大，算法复杂，模块性较差，代码自主可控性差，且与自行开发的控制程序接口处理也较复杂，涉及大量调试工作。
目前国内外没有与本专利所提模块化快捷空间机器人仿真建模方法相同的公开文献报道与专利。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提出一种模块化快捷空间机器人仿真建模方法及***，支持研究人员高效且自主可控地实现空间机器人动力学仿真建模开发，满足在轨服务飞行器近距离操作任务分析与方案设计需求。
本发明解决技术的方案是：一种快捷空间机器人仿真建模方法，以机械臂的关节角、关节角速度、关节角加速度与飞轮控制力矩为输入，按预设时间步长循环解算机械臂的运动学模型、空间机器人质心运动学模型、机械臂安装运动学模型、机械臂的逆向动力学模型以及基座正向姿态动力学模型，求解得到空间机器人基座与机械臂的动力学仿真数据序列；其中
机械臂的运动学模型，以机械臂的关节角、关节角速度为输入，计算机械臂各臂杆相对于机械臂安装坐标系的位置、速度以及加速度；
空间机器人质心运动学模型，以各臂杆相对于机械臂安装坐标系的位置、速度与加速度为输入，计算空间机器人质心相对于基座质心本体系的位置、速度与加速度；
机械臂安装运动学模型，求解机械臂安装坐标系在空间机器人质心坐标系下的运动；
机械臂逆向动力学模型，以机械臂的关节角、关节角速度和关节角加速度，基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度，基座所受外力，各臂杆所受外力偶矩，各臂杆所受外力，及各臂杆所受外力相对臂杆质心的力臂矢量为输入，计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度、角加速度，各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度、加速度，各关节力矩，及机械臂对基座反作用力矩。
基座正向姿态动力学模型，以飞轮控制力矩及机械臂对基座的反作用力矩为输入，计算基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度。
优选的，通过下述方式计算机械臂各臂杆相对于机械臂安装坐标系的加速度：
根据机械臂的关节角、关节角速度，计算各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度和角加速度；
利用上述计算的各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度计算各臂杆相对机械臂安装坐标系的角速度；
利用各臂杆相对机械臂安装坐标系的角速度、各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度和角加速度，计算各臂杆相对机械臂安装坐标系的角加速度；
根据各臂杆相对机械臂安装坐标系的角加速度、各臂杆质心在机械臂安装系下的位置、各臂杆相对机械臂安装坐标系的角速度，计算各臂杆质心在机械臂安装坐标系的加速度。
优选的，机械臂安装运动学模型以空间机器人质心坐标系相对于基座质心本体系的位置、速度与加速度，以及基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度为输入，计算机械臂安装坐标系在空间机器人质心坐标系下的位置、速度与加速度。
优选的，基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度，由上一循环周期基座正向姿态动力学模型计算得到。
优选的，通过下述方式计算各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度：
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度、各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度，计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度；
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度、各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度和角加速度，计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角加速度；
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度、各臂杆质心相对于其内接关节的位置、各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度，计算各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度。
优选的，通过下述方式计算各关节力矩：
考虑臂杆所受的合外力、臂杆所受外力引起的惯性力，基座所受外力引起的惯性力，计算各臂杆约束力；
利用各臂杆约束力、考虑臂杆所受合外力偶矩，计算各臂杆约束力偶矩；
根据各臂杆约束力偶矩、各关节转动单位方向矢量计算各关节力矩。
优选的，各臂杆约束力以及各臂杆约束力偶矩的计算过程为从外接臂杆向内接臂杆计算，且计算所得外接臂杆约束力相反数应作为其内接臂杆的外力，外接臂杆约束力偶矩相反数应作为其内接臂杆的外力偶矩。
一种快捷空间机器人仿真建模***，包括：
第一模块，第一模块中构建机械臂的运动学模型，以机械臂的关节角、关节角速度为输入，在每个周期计算机械臂各臂杆相对于机械臂安装坐标系的位置、速度以及加速度，并将计算结果输入至第二模块；
第二模块，第二模块中构建空间机器人质心运动学模型，以各臂杆相对于机械臂安装坐标系的位置、速度与加速度为输入，在每个周期计算空间机器人质心相对于基座质心本体系的位置、速度与加速度，并将计算结果输入至第三模块；
第三模块，第三模块中构建机械臂安装运动学模型，根据第二模块的输出结构以及第五模块上一周期输出的基座相对于空间机器人质心坐标系下的角速度与角加速度，在每个周期求解机械臂安装坐标系在空间机器人质心坐标系下的运动；
第四模块，第四模块中构建机械臂逆向动力学模型，以机械臂的关节角、关节角速度和关节角加速度，第五模块上一周期输出的基座相对于空间机器人质心坐标系下的角速度与角加速度，基座所受外力，各臂杆所受外力偶矩，各臂杆所受外力，及各臂杆所受外力相对臂杆质心的力臂矢量为输入，在每个周期计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度、角加速度，各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度、加速度，各关节力矩，及机械臂对基座反作用力矩；将机械臂对基座反作用力矩输出至第五模块；
第五模块，第五模块中构建基座正向姿态动力学模型，以飞轮控制力矩及机械臂对基座的反作用力矩为输入，在每个周期计算基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度。
优选的，通过下述方式计算各关节力矩：
考虑臂杆所受的合外力、臂杆所受外力引起的惯性力，基座所受外力引起的惯性力，计算各臂杆约束力；
利用各臂杆约束力、考虑臂杆所受合外力偶矩，计算各臂杆约束力偶矩；
根据各臂杆约束力偶矩、各关节转动单位方向矢量计算各关节力矩。
优选的，各臂杆约束力以及各臂杆约束力偶矩的计算过程为从外接臂杆向内接臂杆计算，且计算所得外接臂杆约束力相反数应作为其内接臂杆的外力，外接臂杆约束力偶矩相反数应作为其内接臂杆的外力偶矩。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
因此，本发明从实用角度，提出一种模块化快捷空间机器人仿真建模方法，利用空间机器人基座与机械臂正逆动力学混合建模与空间复合运动学求解，达到与多体动力学软件同等仿真效果。
(1)本发明能够模块化快捷地实现空间机器人仿真建模
本发明对空间机器人基座与机械臂动力学进行模块化建模，研究人员可以独立开发基座与所带各机械臂仿真模块，再利用本发明所述正逆动力学混合方法与空间复合运动学方法进行模块关联解算。以上特点有助于研究人员快捷高效地实现空间机器人仿真建模。
(2)本发明能够模自主可控地实现空间机器人仿真建模
根据本发明所提供的仿真建模方法与具体步骤，研究人员可以自行选择开发语言与开发环境，实现空间机器人仿真建模算法程序开发，程序代码完全自主可控，避免了商业软件“黑箱”问题，也减少了开源软件环境兼容性、接口匹配性问题。
附图说明
图1为本发明的模块化快捷空间机器人仿真建模流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明实现空间机器人仿真建模的过程为：
(1)建立机械臂的运动学模型。模型输入为机械臂的关节角qj、关节角速度
Figure BDA0003576438930000051
和关节角加速度
Figure BDA0003576438930000052
(下标j表示第j个臂杆)，输出为机械臂各臂杆相对于机械臂安装坐标系(m系)的位置rmj、速度
Figure BDA0003576438930000061
与加速度
Figure BDA0003576438930000062
(参见图1)。
(1.1)计算各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度Ωj和角加速度
Figure BDA0003576438930000063
计算公式分别为
Figure BDA0003576438930000064
和
Figure BDA0003576438930000065
式中lj为各关节转动单位方向矢量；
(1.2)计算各臂杆相对机械臂安装坐标系(m系)的角速度ωmj，公式为ωmj＝Ω1+Ω2+…+Ωj；
(1.3)计算各臂杆相对机械臂安装坐标系(m系)的角加速度
Figure BDA0003576438930000066
公式为
Figure BDA0003576438930000067
(1.4)计算各臂杆质心在机械臂安装系下的位置rmj，公式为
rmj＝dm1+d12+d23+…+dj-2,j-1+djj，
式中dm1为关节1的安装位置，dj-2,j-1为关节j-1相对于其内接关节的位置，由关节角qj确定,djj为臂杆j质心相对于其内接关节j的位置；
(1.5)计算各臂杆质心在机械臂安装坐标系(m系)下的速度
Figure BDA0003576438930000068
公式为
Figure BDA0003576438930000069
(1.6)计算各臂杆质心在机械臂安装坐标系(m系)下的加速度
Figure BDA00035764389300000610
公式为
Figure BDA00035764389300000611
(2)建立***质心运动学模型。模型输入为由步骤(1)计算所得的各臂杆相对于机械臂安装坐标系(m系)的位置rmj、速度
Figure BDA00035764389300000612
与加速度
Figure BDA00035764389300000613
输出为***质心(G)相对于基座质心本体系(b系)的位置rbG、速度
Figure BDA00035764389300000614
与加速度
Figure BDA00035764389300000615
(参见图1)。计算公式为
Figure BDA0003576438930000071
Figure BDA0003576438930000072
Figure BDA0003576438930000073
式中，mT为***总质量，mj为机械臂各臂杆质量，rbm为机械臂在基座质心本体系(b系)下的安装位置。
(3)建立机械臂安装运动学模型。该模型求解机械臂安装坐标系(m系)在***质心系(G系)下的运动。模型输入为步骤(2)计算得到的***质心(G)相对于基座质心本体系(b系)的位置rbG、速度
Figure BDA0003576438930000074
与加速度
Figure BDA0003576438930000075
以及基座相对于***质心系(G系)的角速度ωbi与角加速度
Figure BDA0003576438930000076
ωbi与
Figure BDA0003576438930000077
由上一周期步骤(5)的模型计算得到；模型输出为机械臂安装坐标系(m系)在***质心系(G系)下的位置rGm、速度
Figure BDA0003576438930000078
与加速度
Figure BDA0003576438930000079
(参见图1)。
(3.1)计算基座质心本体系(b系)在***质心系(G系)下的位置rGb，速度
Figure BDA00035764389300000710
与加速度
Figure BDA00035764389300000711
计算公式为
rGb＝-rbG
Figure BDA00035764389300000712
Figure BDA00035764389300000713
(3.2)计算机械臂安装坐标系(m系)在***质心系(G系)下的位置rGm、速度
Figure BDA00035764389300000714
与加速度
Figure BDA00035764389300000715
计算公式为：
rGm＝rGb+rbm
Figure BDA00035764389300000716
Figure BDA00035764389300000717
(4)建立机械臂的逆向动力学模型。模型的输入为机械臂的关节角qj、关节角速度
Figure BDA0003576438930000081
和关节角加速度
Figure BDA0003576438930000082
基座相对于***质心系(G系)的角速度ωbi与角加速度
Figure BDA0003576438930000083
ωbi与
Figure BDA0003576438930000084
由上一周期步骤(5)的模型计算得到，基座所受外力Fb，各臂杆所受外力偶矩Mgj，各臂杆所受外力Fgj，及各臂杆所受外力相对臂杆质心的力臂矢量rgj。模型的输出为各臂杆相对***质心系(G系)的角速度ωj、角加速度
Figure BDA0003576438930000085
各臂杆质心在***质心系(G系)下的速度
Figure BDA0003576438930000086
加速度
Figure BDA0003576438930000087
各关节力矩Mcj，及机械臂对基座反作用力矩TMR(参见图1)。
(4.1)计算各臂杆相对***质心系(G系)的角速度ωj，公式为
ωj＝ωbi+Ω1+Ω2+…+Ωj
(4.2)计算各臂杆相对***质心系(G系)的角加速度
Figure BDA0003576438930000088
公式为
Figure BDA0003576438930000089
(4.3)计算各臂杆质心在***质心系(G系)下的速度
Figure BDA00035764389300000810
公式为
Figure BDA00035764389300000811
式中，
Figure BDA00035764389300000812
由步骤(3.2)计算得到，ωj由步骤(4.1)计算得到。
(4.4)计算各臂杆质心在***质心系(G系)下的加速度
Figure BDA00035764389300000813
公式为
Figure BDA00035764389300000814
式中，
Figure BDA00035764389300000815
由步骤(3.2)计算得到，ωj由步骤(4.1)计算得到，
Figure BDA00035764389300000816
由步骤(4.2)计算得到。
(4.5)计算各臂杆约束力Fhj，计算公式为
Figure BDA00035764389300000817
式中
Figure BDA00035764389300000818
为臂杆j所受合外力，由于***质心系(G系)在存在***质心加速度时为非惯性系，上式右侧第三项代表臂杆所受外力引起的的惯性力，第四项代表基座所受外力引起的惯性力；计算过程为从外接臂杆向内接臂杆计算，且计算所得外接臂杆约束力相反数-Fhj应作为其内接臂杆的外力Fgj-1。
(4.6)计算各臂杆约束力偶矩Mhj，计算公式为
Figure BDA0003576438930000091
式中，Ij为臂杆j的转动惯量，
Figure BDA0003576438930000092
为臂杆j所受合外力偶矩，rgj为臂杆j所受外力Fgj相对臂杆质心的力臂矢量；计算过程为从外接臂杆向内接臂杆计算，且计算所得外接臂杆约束力相反数-Fhj应作为其内接臂杆的外力Fgj-1，外接臂杆约束力偶矩相反数-Mhj应作为其内接臂杆的外力偶矩Mgj-1。
(4.7)计算各关节力矩Mcj,计算公式为Mcj＝Mhj·lj。
(4.8)计算机械臂对基座反作用力矩TMR，公式为
TMR＝-dm1×Fh1-Mh1
式中Fh1为关节1所受约束力，Mh1为关节1所受约束力偶矩。
(5)建立基座正向姿态动力学模型。模型的输入为飞轮控制力矩Tw及机械臂对基座的反作用力矩TMR。输出为基座相对于***质心系(G系)的角速度ωbi与角加速度
Figure BDA0003576438930000093
(参见图1)。基座正向姿态动力学模型公式为：
Figure BDA0003576438930000094
式中，I为基座包括将飞轮“冻结”的转动惯量，Tg为飞轮陀螺力矩补偿，Tg＝-ωbi×(Iwωw)，Iw为飞轮转动惯量，ωw为飞轮相对于基座角速度。对此模型公式积分求解，获得
Figure BDA0003576438930000095
与ωbi值。
(6)以机械臂的关节角qj、
Figure BDA0003576438930000096
与
Figure BDA0003576438930000097
与飞轮控制力矩Tw为输入，按一定时间步长循环解算步骤(1)～步骤(5)所述模型(参见图1)，求解得到空间机器人基座与机械臂的动力学仿真数据序列。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种快捷空间机器人仿真建模方法，其特征在于：以机械臂的关节角、关节角速度、关节角加速度与飞轮控制力矩为输入，按预设时间步长循环解算机械臂的运动学模型、空间机器人质心运动学模型、机械臂安装运动学模型、机械臂的逆向动力学模型以及基座正向姿态动力学模型，求解得到空间机器人基座与机械臂的动力学仿真数据序列；其中
机械臂的运动学模型，以机械臂的关节角、关节角速度为输入，计算机械臂各臂杆相对于机械臂安装坐标系的位置、速度以及加速度；
空间机器人质心运动学模型，以各臂杆相对于机械臂安装坐标系的位置、速度与加速度为输入，计算空间机器人质心相对于基座质心本体系的位置、速度与加速度；
机械臂安装运动学模型，求解机械臂安装坐标系在空间机器人质心坐标系下的位置、速度与加速度；
机械臂逆向动力学模型，以机械臂的关节角、关节角速度和关节角加速度，基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度，基座所受外力，各臂杆所受外力偶矩，各臂杆所受外力，及各臂杆所受外力相对臂杆质心的力臂矢量为输入，计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度、角加速度，各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度、加速度，各关节力矩，及机械臂对基座反作用力矩。
基座正向姿态动力学模型，以飞轮控制力矩及机械臂对基座的反作用力矩为输入，计算基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：机械臂安装运动学模型以空间机器人质心坐标系相对于基座质心本体系的位置、速度与加速度，以及基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度为输入，计算机械臂安装坐标系在空间机器人质心坐标系下的位置、速度与加速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度，由上一循环周期基座正向姿态动力学模型计算得到。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过下述方式计算各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度：
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度、各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度，计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度；
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度、各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度和角加速度，计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角加速度；
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度、各臂杆质心相对于其内接关节的位置、各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度，计算各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过下述方式计算各关节力矩：
考虑臂杆所受的合外力、臂杆所受外力引起的惯性力，基座所受外力引起的惯性力，计算各臂杆约束力；
利用各臂杆约束力、考虑臂杆所受合外力偶矩，计算各臂杆约束力偶矩；
根据各臂杆约束力偶矩、各关节转动单位方向矢量计算各关节力矩。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：各臂杆约束力以及各臂杆约束力偶矩的计算过程为从外接臂杆向内接臂杆计算，且计算所得外接臂杆约束力相反数应作为其内接臂杆的外力，外接臂杆约束力偶矩相反数应作为其内接臂杆的外力偶矩。
7.一种快捷空间机器人仿真建模***，其特征在于包括：
第一模块，第一模块中构建机械臂的运动学模型，以机械臂的关节角、关节角速度为输入，在每个周期计算机械臂各臂杆相对于机械臂安装坐标系的位置、速度以及加速度，并将计算结果输入至第二模块；
第二模块，第二模块中构建空间机器人质心运动学模型，以各臂杆相对于机械臂安装坐标系的位置、速度与加速度为输入，在每个周期计算空间机器人质心相对于基座质心本体系的位置、速度与加速度，并将计算结果输入至第三模块；
第三模块，第三模块中构建机械臂安装运动学模型，根据第二模块的输出结构以及第五模块上一周期输出的基座相对于空间机器人质心坐标系下的角速度与角加速度，在每个周期求解机械臂安装坐标系在空间机器人质心坐标系下的运动；
第四模块，第四模块中构建机械臂逆向动力学模型，以机械臂的关节角、关节角速度和关节角加速度，第五模块上一周期输出的基座相对于空间机器人质心坐标系下的角速度与角加速度，基座所受外力，各臂杆所受外力偶矩，各臂杆所受外力，及各臂杆所受外力相对臂杆质心的力臂矢量为输入，在每个周期计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度、角加速度，各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度、加速度，各关节力矩，及机械臂对基座反作用力矩；将机械臂对基座反作用力矩输出至第五模块；
第五模块，第五模块中构建基座正向姿态动力学模型，以飞轮控制力矩及机械臂对基座的反作用力矩为输入，在每个周期计算基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于：通过下述方式计算各关节力矩：
考虑臂杆所受的合外力、臂杆所受外力引起的惯性力，基座所受外力引起的惯性力，计算各臂杆约束力；
利用各臂杆约束力、考虑臂杆所受合外力偶矩，计算各臂杆约束力偶矩；
根据各臂杆约束力偶矩、各关节转动单位方向矢量计算各关节力矩。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于：各臂杆约束力以及各臂杆约束力偶矩的计算过程为从外接臂杆向内接臂杆计算，且计算所得外接臂杆约束力相反数应作为其内接臂杆的外力，外接臂杆约束力偶矩相反数应作为其内接臂杆的外力偶矩。
10.根据权利要求7所述的***，其特征在于：通过下述方式计算各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度：
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度、各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度，计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度；
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度与角加速度、各臂杆相对于内接臂杆的相对运动角速度和角加速度，计算各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角加速度；
根据基座相对于空间机器人质心坐标系的角速度、各臂杆质心相对于其内接关节的位置、各臂杆相对空间机器人质心坐标系的角速度，计算各臂杆质心在空间机器人质心坐标系下的速度。
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