[发明专利]一种空间机器人建立动力学模型的方法

说明书

本发明公开了一种空间机器人建立动力学模型的方法，具体步骤包括使用空间向量表示空间机器人的空间速度和空间力，建立空间机器人的几何模型和关节模型；建立空间机器人的逆动力学方程和正动力学方程，并在此基础上建立空间机器人的动力学方程；对空间机器人的动力学方程进行简化；具体的包括对空间机器人空间运动和力向量的叉乘算子表示，使用数据结构表示空间机器人的空间速度。该方法解决了现有技术中将空间机器人的角运动与线运动分别处理，且需要考虑空间机器人机器臂的不同关节类型问题，导致运算复杂度高，且方法只能适用于特定类型的空间机器人，不具有广泛适用性。

技术领域

本发明涉及空间机器人动力学的建模；具体涉及一种空间机器人建立动力学模型的方法； 具体的是一种使用空间向量的空间多臂机器人的动力学建模方法。

背景技术

随着航天技术的发展，空间机器人越来越受到各国重视，它能代替航天员从事危险的舱外 工作，并将在建造空间站、清理太空垃圾等方面发挥重要作用。空间机器人的动力学研究从上 世纪七八十年代兴起至今，已经取得很大进展。

空间机器人是一个典型的多体系统，其动力学建模主要研究驱动力与关节运动的关系，包 括逆动力学(由关节运动情况确定驱动力/力矩)和正动力学(由驱动力/力矩确定关节运动情 况)两个方面。其中，逆动力学主要用于反馈控制，正动力学主要用于仿真。一般拉格朗日方 程的算法复杂度为O(N⁴)(N为机械臂连杆数)，如何降低算法复杂度是动力学算法主要的研 究课题之一。

在逆动力学方面，最早提出的O(N)阶算法是Stepanenko和Vukobratovic提出的牛顿-欧拉 方程(NE)。Orin通过将力/力矩表示在当地坐标系上，使得这一算法更高效。Luh，Walker和 Paul将递归关系应用于NE，提出了一种非常高效的递归牛顿-欧拉算法(RNEA)，将大多数参 数同连杆坐标系固联，这也是目前被引用最多的方法。

在正动力学方面，Walker和Orin以RNEA为基础提出组合体算法(CRBA)，计算机械臂外 端组合体的惯性参数。他们假设所有关节速度为零，仅将一个单位加速度施加于某一关节上， 连续运用逆动力学，使惯性矩阵的计算十分高效。由于在某一时刻仅有一个关节处于运动状态， 模型简化为由静止的基座项和运动的外端复合刚体组成的单自由度系统。当机器人自由度较小 时，该算法的计算效率较高。Featherstone提出并发展的铰接体算法(ABA)是最早的1阶算法， 当机器人自由度较大时，ABA比CRBA更高效。正动力学的计算效率与惯性矩阵的计算紧密 相关，Lilly和Orin提出过四种计算惯性矩阵的方法，其中改进的组合体算法是最高效的。

一般在推导空间机器人动力学方程时将与角运动和线运动有关的公式分别处理，这样公式 复杂且需考虑不同关节类型的情况。

发明内容

本发明提供了一种空间机器人建立动力学模型的方法；解决了现有技术中将空间机器人的 角运动与线运动分别处理，且需要考虑空间机器人机器臂的不同关节类型问题，导致运算复杂 度高，且方法只能适用于特定类型的空间机器人，不具有广泛适用性。

本发明的技术方案是，一种空间机器人建立动力学模型的方法，包括以下步骤：

步骤1，使用空间向量表示空间机器人的空间速度和空间力，建立空间机器人的几何模型 和关节模型；具体的使用运动学树对空间机器人进行拓扑表示，使用图论方法描述空间机器人 的几何模型；

步骤2，建立空间机器人的逆动力学方程和正动力学方程，并在此基础上建立空间机器人 的动力学方程；

步骤3，对空间机器人的动力学方程进行简化；具体的包括对空间机器人使用空间运动和 力向量表示，使用特殊数据结构表示空间向量。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中步骤1中对旋转关节建立关节模型。