[发明专利]中性浮力实验中漂浮基座与机械臂的动态标度规划方法

说明书

一种中性浮力实验中漂浮基座与机械臂的动态标度规划方法，包括以下步骤：第一步、在水池坐标系中设定机械臂末端执行器的轨迹，并在轨迹内插入一个路径点序列，进而将轨迹划分为n段执行；第二步、建立n个三阶多项式方程，将路径点计算成相应的关节变量；第三步、求解标度因子；第四步、对重新标定的机械臂轨迹进行求解，在每段关节空间轨迹中通过相同的规则分别求得轨迹动态标度，形成多个新的轨迹。本发明通过对运动轨迹的动态时间标定，形成新的机械臂关节角速度和角角速度，从而改变机械臂的惯性力和环境力，使得原先无法保持基座位姿稳定的规划方法实现基座位姿的稳定。

技术领域

本发明涉及空间微重力模拟领域，具体涉及一种中性浮力实验中漂浮基座与机械臂的动态标度规划方法，通过改变机械臂的惯性力和环境力，使基座位姿保持稳定。

背景技术

中性浮力实验是航天领域新兴起的一种研究方法。所谓中性浮力是指当物体处于液体中时，如果物体的密度与液体的密度相同，则该物体能够在液体中的任意一点悬浮。中性浮力模拟空间微重力效应的方法也称为液体浮力平衡重力方法，就是利用液体对物体的浮力抵消物体的重力，使物体处于悬浮状态。已经公开的技术有：Yuichiro Taira,Shinichi Sagara,Masahiro Oya.A robust controller with integral action forunderwater vehicle-manipulator systems including thruster dynamics[C].Kumamoto,Japan:International Conference on Advanced Mechatronic Systems,2014:415-420在已知UVMS和推力器的动力学参数，而对水下有界扰动不确定的前提下，设计一种鲁棒控制器，成功克服推进器的非线性对控制的不利影响，并且针对鲁棒控制器的缺点在控制器中增加了积分环节。Norimitsu Sakagami,Mizuho Shibata,SadaoKawamura. An attitude control system for underwater vehicle-manipulatorsystems[C].Alaska,USA:IEEE International Conference on Robotics andAutomation,2010:1761-1767.控制浮心和重心的相对位置来控制UVMS的姿态，改变浮心通过移动浮块来实现，文中设计的这套控制系统用于控制 UVMS的俯仰角，俯仰角的变化范围从120°至150°，还能够在执行任务时保持整体系统的姿态。B.Siciliano,L.Sciavicco,L.Villani,G.Oriolo.Robotics:Modelling,Planning and Control[M]. New York:Springer,2009.介绍了针对固定基座机械臂的动态标度方法，解决机械臂关节力矩不足以实现期望轨迹的问题。但是在自由漂浮系统下，上述研究方法均未考虑基座的推力及其推力矩不足的情况。根据任务的需要，机械臂的轨迹一般是需要保持在某一位姿上的。但由于机械臂运动时会对基座产生干扰，如果基座维持位姿所需的力和力矩大于螺旋桨推进器所能提供的最大推力和推力矩，那么基座在水池坐标系中的实际位置和姿态指向与期望位置和姿态指向之间将产生较大的误差，从而影响机械臂末端执行器在水池坐标系中的轨迹。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种中性浮力实验中漂浮基座与机械臂的动态标度规划方法，对机械臂关节生成新的轨迹，调节机械臂关节角速度和角加速度，改变机械臂的惯性力和环境力，从而减小机械臂的运动对基座的动力学影响，使基座稳定。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

第一步、在水池坐标系中设定机械臂末端执行器的轨迹，并在轨迹内插入一个路径点序列，进而将轨迹划分为n段执行；

第二步、在n段轨迹上建立n个三阶多项式方程，将每段轨迹通过逆运动学方程计算成相应的关节变量；

第三步、求解标度因子；