[发明专利]一种针对运动学冗余双臂空间机器人的协同路径规划方法

说明书

本发明公开了一种针对运动学冗余双臂空间机器人的协同路径规划方法，包括以下步骤：建立空间机器人系统的动力学方程和运动学方程；求解末端执行器逆运动学方程冗余解，通过动量守恒方程得到系统非完整约束方程；通过系统非完整约束方程，得到末端执行器运动和基座姿态关系的任务空间约束方程；使用五阶贝塞尔曲线得到任务空间中末端执行器路径规划，通过末端执行器的速度和加速度边界确定路径执行时间；通过末端执行器运动方程和任务空间约束方程，得到对应不同任务优先级的关节运动轨迹规划。实现了空间双臂机器人的协同路径规划方法，可以根据任务的优先级执行各类不同的任务，多臂协同任务，动态平衡任务等，大大拓展了空间机械臂的操作能力。

技术领域

本发明属于双臂空间机器人的路径规划技术领域，涉及一种针对运动学冗余双臂空间机器人的协同路径规划方法。

背景技术

空间机器人由自由漂浮基座和机械臂组成。当执行在轨任务时，由于基座与机械臂的动力学耦合特性，机械臂和安装在航天器上的转动机制的操作将引起基座的姿态扰动。有限的燃料主要用于轨道转移机动，基本没有燃料用于抑制基座姿态扰动。因此，如何充分探索动力学耦合效应在调整基座姿态的应用已经引起广泛的关注。

目前针对自由漂浮空间机器人姿态扰动最小化，已经提出了许多方法和策略，很多的研究主要是针对单臂，但是当轨道目标没有抓钩时，单臂机器人的拦截和抓捕会非常困难。多臂机器人可以增加抓捕的可能性和提供灵巧操作，针对多臂机器人姿态扰动最小化的问题，目前有以下解决方法：1)针对双柔性机械臂使用混合位置/力控制和振动抑止控制来抓捕空间旋转目标。2)采用等效平衡臂和相应的动力学平衡控制(DBC)方案来减少由任务臂引起的基座姿态扰动。3)整合以任务优先级为基础的方法框架中的DBC和RNS的概念来最小化飞行器的基座姿态扰动。

但是，上述现有方法中，额外臂主要用于基座姿态的控制，多臂空间机器人抓捕目标的协同运动的问题尚未被合理解决。因此，需要提出多臂空间机器人的协同路径规划。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种针对运动学冗余双臂空间机器人的协同路径规划方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种针对运动学冗余双臂空间机器人的协同路径规划方法，包括以下步骤：

步骤1：建立空间机器人系统的动力学方程和运动学方程，得到末端执行器运动学方程；

步骤2：通过动量守恒方程得到系统非完整约束方程，通过末端执行器的运动学方程求解末端执行器逆运动学冗余解，将末端执行器逆运动学冗余解代入系统非完整约束方程中，得到末端执行器运动和基座姿态关系的任务空间约束方程；

步骤3：根据末端执行器的初始与终端位置、速度和加速度，使用五阶贝塞尔曲线得到任务空间中末端执行器路径规划，通过末端执行器的速度和加速度边界确定路径执行时间；

步骤4：通过末端执行器运动学方程和任务空间约束方程，得到对应不同任务优先级的关节运动轨迹规划。

本发明进一步的改进在于：

方法还包括：

步骤5：跟踪关节运动轨迹规划路径，使用闭环控制系统消除跟踪偏差；闭环控制系统中关节力矩输入采用PD控制。

步骤1的具体方法为：

基于拉格朗日原理建立空间机器人系统的动力学方程：