[发明专利]多轮臂机器人操作目标消旋的多接触点力分配方法和系统

说明书

本发明公开了一种多轮臂机器人操作目标消旋的多接触点力分配方法和系统，该方法包括：通过协同调整多轮臂机器人的三条机械臂的构型，实现对目标的包络，并通过各机械臂末端的全向可控阻尼轮与目标表面接触；在被动跟随模式下，动态规划各机械臂臂力，控制各全向可控阻尼轮跟随目标旋转，实现多轮臂机器人与目标的安全柔顺接触；在主动消旋模式下，动态规划各机械臂臂力和各全向可控阻尼轮的摩擦力矩，全向可控阻尼轮施加摩擦力，释放目标角动量，实现对目标的消旋。通过本发明实现了对目标的全身柔顺接触和平稳消旋。

技术领域

本发明属于空间在轨操作技术领域，尤其涉及一种多轮臂机器人操作目标消旋的多接触点力分配方法和系统。

背景技术

在宇航技术不断发展的同时，地球轨道上漂浮的空间碎片日益增多，已经对在轨卫星的安全构成极大威胁。因此，通过空间机械臂在轨操作对空间碎片进行捕获成为研究热点。然而，对于火箭末级和失效卫星等空间大型翻滚目标，具有质量大、体积大、残余角动量大、包络复杂等特点，以十几至几十千米每秒的线速度在地球轨道上高速飞行，给机械臂捕获任务带来了极大的挑战。

针对高速自旋空间大型目标的捕获任务，机械臂应具备较大的负载能力和高可靠的接触安全度。一方面，普通的单臂机器人难以满足上述要求，相比之下，多臂协同机器人具备更灵活的操作能力和和更强的负载能力。另一方面，目标复杂的自旋、章动运动，机械臂在夹持目标把手时势必会受到来自目标的拖拽力，直接对其捕获对末端和机械臂本体的安全造成极大威胁。因此，研究如何对大型自旋目标进行消旋，保证安全捕获，具有重要意义。

目前，对目标进行接触式消旋主要采取在机械臂末端搭载减速刷、软体臂或机械脉冲等手段来直接消耗目标的残余角动量，存在机械臂无法承受目标冲击的风险。如何对目标进行消旋的同时，又能避免目标角动量对机械臂的冲击，是本领域技术人员亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种多轮臂机器人操作目标消旋的多接触点力分配方法和系统，旨在实现对目标的全身柔顺接触和平稳消旋。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种多轮臂机器人操作目标消旋的多接触点力分配方法，包括：

通过协同调整多轮臂机器人的三条机械臂的构型，实现对目标的包络，并通过各机械臂末端的全向可控阻尼轮与目标表面接触；

在被动跟随模式下，动态规划各机械臂臂力，控制各全向可控阻尼轮跟随目标旋转，实现多轮臂机器人与目标的安全柔顺接触；

在主动消旋模式下，动态规划各机械臂臂力和各全向可控阻尼轮的摩擦力矩，全向可控阻尼轮施加摩擦力，释放目标角动量，实现对目标的消旋。

在上述多轮臂机器人操作目标消旋的多接触点力分配方法中，多轮臂机器人，包括：基座、三条机械臂和三个全向可控阻尼轮；其中，三条机械臂安装在基座上，各条机械臂末端分别搭载有一个全向可控阻尼轮；机械臂为K自由度机械臂，包括：1个机械臂基座、K个连杆、K-1个旋转关节；其中，机械臂通过机械臂基座安装在基座上，K个连杆通过K-1个旋转关节依次连接；当前连杆的上序铰链为：上一个旋转关节到当前连杆质心的位置矢量；当前连杆的下序铰链为：当前连杆质心到下一个旋转关节位置矢量。

在上述多轮臂机器人操作目标消旋的多接触点力分配方法中，在被动跟随模式下，通过如下方式对各机械臂臂力进行动态规划：

确定广义合力F_E的全身阻抗控制率：

其中，Λ_R和η_R分别表示系统惯性矩阵和速度独立项，M_R、B_R和K_R分别表示系统刚度矩阵、阻尼矩阵和惯量矩阵，x_R表示系统的实际质心位置，Δx_R表示系统的期望质心位置与实际质心位置之差；