[发明专利]空间机器人捕获翻滚目标后的轨迹规划方法

权利要求书

1.一种空间机器人捕获翻滚目标后的轨迹规划方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、建立捕获后组合体的动量方程；

假设空间机器人基座上安装有n自由度机械臂和m自由度的飞轮；在空间机器人捕获翻滚目标后，翻滚目标与机械臂末端执行器固连形成组合体；空间机器人的动量方程描述如下：

其中，H_ω，H_bm和H_br为与基座，机械臂和飞轮惯量相关的矩阵；J_Tω为与机械臂质量相关的矩阵；M为组合体的总质量；E₃表示单位矩阵；r_0g＝r_g-r₀；r₀，r_g分别是基座和系统质心在惯性坐标系下的位置矢量；是一个斜对称矩阵；v_b，ω_b，和分别为基座的速度，角速度，机械臂关节角速度和飞轮的角速度；

假设系统的线动量P＝0，式(1)中的角动量方程简化为：

在捕获具有初始角动量L_t的翻滚目标后,组合体L_all＝L+L_t的角动量方程记为：

其中，代表捕获后矩阵，包含翻滚目标的动力学信息；由于翻滚目标的动力学参数未知，捕获后组合体的动力学参数将发生变化；

步骤二、基座无扰和组合体稳定的轨迹规划方法；

ω_b＝0时，基座姿态的扰动最小；式(3)记为：

其中，是机械臂关节角速度的期望值；通过式(3)和式(4)得到：

从式(5)中期望的关节角速度表示为：

其中，(·)⁺是伪逆；P_RNS是的零空间映射；是一个任意的矢量；式(6)等式右边包含两项；第一项利用基座与机械臂的耦合规划机械臂的运动，将基座的角动量转移到机械臂上；第二项基于零空间的概念将基座和机械臂的运动解耦，利用机械臂的冗余度优化关节的轨迹；在此，通过翻滚目标消旋任务确定末端执行器的角速度ω_e表示为：

其中，J_Rn为广义雅克比矩阵；联合式(6)和式(7)得到：

保证基座扰动的最小化和实现消旋任务,令ω_e＝[0 0 0]^T，ω_b＝[0 0 0]^T，期望的关节角速度最终表示为：

采用额外的角动量吸收装置实现组合体的稳定；使用飞轮吸收组合体上存在的总的角动量；从式(3)中得到：

因此，期望的飞轮角速度表示为：

由于瞬时吸收能力的约束，飞轮不能立即吸收组合体总的角动量；在此，通过使用饱和函数表示飞轮的控制力矩约束：

其中，τ_min和τ_max分别表示关节力矩约束的最小值和最大值，为常量；

步骤三、分析翻滚目标动力学参数不确定性对任务的影响；

式(9)和式(11)的惯性矩阵中包含翻滚目标的未知动力学参数，这些参数不能预先知道；假定使用惯性矩阵的估计值，将会存在一个偏差，记为:

其中，和分别为和的估计值；和为估计偏差；

使用估计值，式(6)表示为：

当控制关节的实际角速度跟踪上期望的角速度时，从式(13)中得到：

上式中ω_b收敛到零，基座的姿态实现稳定；式(12)中飞轮的角速度表示为：

控制飞轮的角速度跟踪上期望的角速度时，即

式中，收敛到零，实现消旋任务；组合体最终实现稳定。