[发明专利]一种变构型空间机器人及路径规划方法

权利要求书

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)、多个机器臂；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)；

第一刚体(1)、第二刚体(2)通过被动圆柱铰(3)相连；

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；

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；

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。

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2所述的一种自主变构型空间机器人，其特征在于：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。

4.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。

5.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。

6.一种用于权利要求1所述的变构型空间机器人的路径规划方法，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系统：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。

7.根据权利要求1所述的变构型空间机器人的路径规划方法，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。

8.根据权利要求1所述的一种空间机器人自主变构型的路径规划方法，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：

R·tipΩ·tip=J(q)q·]]>

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：

m=det(J(q)JT(q))]]>

(5.3)对奇异度量指标m求导得到

m·=(∂m∂q)TJ+(q)R·tipΩ·tip+(∂m∂q)T(I-J+(q)J(q))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；

(5.4)为保证m始终有增大的趋势，即保证则可得到k=(∂m∂q)k1]]>时，能够保证(∂m∂q)T(I-J+(q)J(q))k>0;]]>

(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：

q·=J+(q)R·tipΩ·tip+(I-J+(q)J(q))k]]>

q·=J+(q)R·tipΩ·tip+(I-J+(q)J(q))(∂m∂q)k1,k1>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。