[发明专利]一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统

说明书

本发明涉及一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统，包括：依据常态下空间机械臂数学模型，通过锁定除被动关节和主动关节外的所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型；依据所述二自由度欠驱动机械臂模型，考虑被动关节粘性摩擦力，获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间的动力学耦合关系；依据所述动力学耦合关系，通过前置主动关节运动规划，实现被动关节的关节角度调整。本发明实现了关节故障情况下，空间模块化高冗余自由度机械臂的可重构构型调整。在不降低动力学模型准确性的前提下简化动力学模型，可大大提高关节角度调整效率和难度，且适用范围广。

技术领域

本发明涉及一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统，属于空间机械臂控制技术领域。

背景技术

随着国内外航天工程的发展，空间机械臂将在其中发挥愈发重要的作用。空间机械臂由于其跨度大、操作灵活、负载能力强等特点，被广泛用于协助或替代宇航员高效、经济、安全地完成各类在轨任务。模块化冗余自由度空间机械臂具有更好的灵活性和冗余容错能力，即使产生单关节故障后，可以转为六自由度机械臂继续执行操作任务，然而，故障关节角度对整臂的可操作度有重大的影响，在某些角度下可能导致冗余自由度空间机械臂无法进行重构。因此，需要提出一种高自由度欠驱动机械臂动力学耦合关系描述算法，通过其它主动关节调整故障关节角度，为模块化冗余自由度机械臂的自主重构奠定基础。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法及系统，实现关节故障情况下，空间模块化高冗余自由度机械臂的可重构构型调整。

本发明的技术解决方案是：

一种模块化空间机械臂可重构构型调整方法，包括：

依据常态下空间机械臂数学模型，通过锁定除被动关节和主动关节外的所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型；

依据所述二自由度欠驱动机械臂模型，考虑被动关节粘性摩擦力，获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间的动力学耦合关系；

依据所述动力学耦合关系，通过主动关节运动规划，实现被动关节的关节角度调整。

进一步的，所述被动关节指发生自由摆动故障的关节，主动关节指运动和力矩输出能力正常的关节。

进一步的，锁定除被动关节和前置主动关节外所有其他关节，将高自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱动机械臂模型，具体为：

当J_k发生自由摆动故障时，将J_k作为被动关节，而J_k-1作为主动关节对J_k进行调整；其余关节J₁,…,J_k-2,J_k+1,…,J_n锁定于当前角度θ₁,…,θ_k-2,θ_k+1,…,θ_n；

对于锁定后的机械臂，定义连杆L₁,L₂,…,L_k-2固连成为基座，连杆L_k-1为主动连杆L_a，连杆L_k+1,L_k+2,…,L_n与连杆L_k固连为被动连杆L_p；