[发明专利]一种变构型空间机器人及路径规划方法

说明书

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，给系统运动规划带来难题——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系统，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系统的路径规划方法。

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。

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：