[发明专利]一种空间可变形桁架逆运动学计算方法及系统

说明书

本发明公开了一种空间可变形桁架逆运动学计算方法及系统，其中，该方法包括如下步骤：构成空间可变形桁架；建立基坐标系OXYZ；建立各级桁架单元坐标系；获取OXYZ坐标系中的工作目标点D(x_d,y_d,z_d)，计算第一阶段目标点D₁(x_d,0,z_d/2)；计算从第1级到第N/2级的桁架单元的每一级的工作点在其对应桁架单元坐标系的平行于主动杆面的坐标系平面的投影点，这些投影点构成坐标集合，根据坐标集合得到单级工作空间密度函数；使得E₁在D₁处概率密度函数最大的一个工作点作为该级工作点；得到第1至N/2级桁架单元各杆长度；得到第N/2+1至N级桁架单元主动杆长度。本发明解决了多级桁架逆运动学运算量大、不易求解的问题。

技术领域

本发明属于空间操作机构运动学领域，尤其涉及一种空间可变形桁架逆运动学计算方法及系统。

背景技术

可变形桁架(Variable Geometry Truss,VGT)是指桁架的空间结构确定而几何参数可变，通过调节部分杆件的长度实现对末端负载位置和姿态的移动。它是空间操作机构的一种，能够实现在轨操作、在轨加注等任务。

在VGT的逆运动学问题上，Miura和Furuya提出了一组用三个角度值作为变量描述VGT非线性几何模型的方程，Furuya提出了一组用三个角度值作为变量描述VGT非线性几何模型的方程，Hughes给出了基于VGT-bay的逆运动学，实现了以VGT为执行机构的空间机器人操作。在Miura和Furuya工作的基础上，Huang等人给出了一种空间八面体型VGT的定义和正逆运动学模型，并给出了自由漂浮系统的动力学模型和控制方法，通过物理仿真验证了有效性。上述方法能够解决特定的单级可变形桁架逆运动学问题。此外，也有通过蛮力搜索的方式，即对所有关节变量同时求解，寻找一组能够使末端到达期望位置的关节变量值，该方法思想简单，但运算效率低。现有算法在解决多级桁架逆运动学问题时，矩阵维数提高，运算量过大，难以得到逆运动学结果。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间可变形桁架逆运动学计算方法及系统，解决了多级桁架逆运动学运算量大、不易求解的问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种空间可变形桁架逆运动学计算方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将N个桁架单元级联构成空间可变形桁架，其中，N为偶数；

(2)根据第1级桁架单元建立基坐标系OXYZ；

(3)建立各级桁架单元坐标系，将第N+1级桁架单元的固定杆面中心记为可变形桁架的工作点E，第N/2+1级桁架单元的固定杆面中心记为空间可变形桁架工作点E₁；

(4)获取OXYZ坐标系中的工作目标点D(x_d,y_d,z_d)，计算第一阶段目标点D₁(x_d,0,z_d/2)，其中，第一阶段为计算第1级到第N/2级桁架单元逆运动学；

(5)计算从第1级到第N/2级的桁架单元的每一级的工作点在其对应桁架单元坐标系的平行于主动杆面的坐标系平面的投影点，这些投影点构成坐标集合，根据坐标集合得到单级工作空间密度函数；

(6)在步骤(5)中的每一级桁架单元的坐标集合中使得E₁在D₁处概率密度函数最大的一个工作点作为该级工作点；

(7)由步骤(6)中的工作点得到第1至N/2级桁架单元各杆长度；