[发明专利]空间三维大尺度运动学仿真系统及方法有效
| 申请号： | 202010753564.8 | 申请日： | 2020-07-30 |
| 公开（公告）号： | CN111872938B | 公开（公告）日： | 2022-01-25 |
| 发明（设计）人： | 张继文;刘宇;刘琛;冯渭春;陈恳;宋立滨 | 申请（专利权）人： | 清华大学;北京跟踪与通信技术研究所 |
| 主分类号： | B25J9/16 | 分类号： | B25J9/16;G09B9/08 |
| 代理公司： | 北京五洲洋和知识产权代理事务所(普通合伙) 11387 | 代理人： | 张向琨 |
| 地址： | 10008*** | 国省代码： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索关键词： | 空间 三维 尺度 运动学 仿真 系统 方法 | ||
1.一种空间三维大尺度运动学仿真方法，其基于空间三维大尺度运动学仿真系统进行仿真，
空间三维大尺度运动学仿真系统，包括实验场地(1)、目标飞行器模拟机构(2)、任务飞行器模拟机构(3)；
目标飞行器模拟机构(2)包括目标飞行器(21)和第一工业机械臂(22)，第一工业机械臂(22)的基座固定于实验场地(1)上，第一工业机械臂(22)的末端连接于目标飞行器(21)；
任务飞行器模拟机构(3)包括任务飞行器(31)、第二工业机械臂(32)和全方位移动平台(33)，第二工业机械臂(32)的基座固定于全方位移动平台(33)上，第二工业机械臂(32)的末端连接于任务飞行器(31)，全方位移动平台(33)设置在实验场地(1)上并能够在实验场地(1)上移动；
其特征在于，空间三维大尺度运动学仿真方法包括：
建立目标飞行器(21)固接坐标系FT，FT的原点为目标飞行器(21)的质心，建立目标飞行器(21)轨道坐标系FW，FW的原点为目标飞行器(21)的质心，建立任务飞行器(31)固接坐标系FS，建立实验场地(1)坐标系Fe、第一工业机械臂(22)基座坐标系FTb和第二工业机械臂(32)基座坐标系FSb，其中，不考虑目标飞行器(21)沿空间轨道的平动，只考虑空间中目标飞行器(21)与任务飞行器(31)间的相对运动关系；
在坐标系FT、FW、FS下，基于给定目标飞行器(21)的初始角速度向量值并依据空间动力学的计算得出目标飞行器(21)在空间环境下的定点运动轨迹T2(t)，其中，T2(t)是目标飞行器(21)绕质心的转动轨迹；
在坐标系FT、FW、FS下，针对任务飞行器(31)的控制策略，控制任务飞行器(31)相对目标飞行器(21)运动，根据任务飞行器(31)的飞行路线直接得出任务飞行器(31)在空间环境下的运动轨迹T1(t)，其中，T1(t)为任务飞行器(31)的固接坐标系FS相对轨道坐标系FW的相对运动轨迹，T1(t)由一系列密集的离散点表示；
将任务飞行器(31)对目标飞行器(21)在空间上的相对运动进行在实验场地的运动规划：将任务飞行器(31)与目标飞行器(21)间的相对运动划分为第一虚拟运动和第二虚拟运动，第一虚拟运动为FT绕FW的原点的定点运动，第二虚拟运动为FS相对于FW的空间六自由度任意运动，其中，第二虚拟运动为FS相对于FSb、FSb相对于Fe、Fe相对于FTb、FTb相对于FW的连续运动链实现，将连续运动链虚拟为超冗余机械臂(R)，超冗余机械臂(R)的基座坐标系为FW，超冗余机械臂(R)的末端为任务飞行器(31)的固接坐标系FS；
依据给定的任务飞行器(31)的运动轨迹T1(t)，基于虚拟的超冗余机械臂(R)的运动学模型进行运动规划和轨迹规划，计算得出超冗余机械臂(R)各关节的运动轨迹，即，第二工业机械臂(32)的各关节运动轨迹其中，NS是第二工业机械臂(32)的关节数量；全方位移动平台(33)的各自由度的运动轨迹以及第一工业机械臂(22)的各关节运动轨迹其中，NTT是第一工业机械臂(22)的关节数量；
根据第一工业机械臂(22)的各关节运动轨迹TraTTi(t)计算得出第一工业机械臂(22)的末端FW相对基座FTb的运动轨迹TraT(t)＝[xT(t)yT(t)zT(t)rxT(t)ryT(t)rzT(t)]T；
将第一工业机械臂(22)末端FW的运动轨迹TraT(t)与目标飞行器(21)绕质心的运动轨迹T2(t)进行融合，得到第一工业机械臂(22)的末端FT在FTb下的运动轨迹，然后基于FT在FTb下的运动轨迹，求得第一工业机械臂(22)的最终关节合运动的运动轨迹其中，NT是第一工业机械臂(22)的关节数量；
根据对各关节的轨迹规划结果，进行任务飞行器(31)相对目标飞行器(21)的相对运动的仿真；
将第一工业机械臂(22)末端FW的运动轨迹TraT(t)与目标飞行器(21)绕质心的运动轨迹T2(t)进行融合的具体步骤包括：
建立正运动学方程PTm＝X(qTm)，逆运动学方程qTm＝Y(PTm)，其中，PTm表示第一工业机械臂(22)末端在FTb下的位置姿态向量，qTm表示第一工业机械臂(22)在关节空间中各个关节的角度向量；
将超冗余机械臂(R)的末端FW相对基座FTb规划所得的运动轨迹TraT(t)用齐次变换矩阵表示为将目标飞行器(21)绕质心的运动轨迹T2(t)扩充为齐次变换矩阵根据可以计算出第一工业机械臂(22)末端FT在FTb下的齐次变换矩阵
然后基于通过第一工业机械臂(22)的逆运动学方程qTm＝Y(PTm)求解各关节的位置，通过差分方法计算各关节的速度和加速度，最终得到第一工业机械臂(22)合运动规划结果
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