[发明专利]空间机器人的三指式抓持器碰撞预测方法

摘要

空间机器人的三指式抓持器碰撞预测方法，本发明涉及三指式抓持器碰撞预测方法。本发明是要解决空间机器人在轨抓取操作时碰撞预测方法效率较低的问题，而提出的空间机器人的三指式抓持器碰撞预测方法。该方法是通过一、设计空间机器人的三指式抓取机构的三维模型，根据三维模型建立数学模型；二、根据步骤一建立的三维模型和数学模型对三指式抓取机构进行碰撞检测得到碰撞模型，根据碰撞模型侵入量计算碰撞力；三、将碰撞模型和机械臂系统模型建立空间机器人的三指式抓取机构的动力学模型，根据三指式抓取机构动力学模型设计空间机器人三指式抓取机构控制系统模型等步骤实现的。本发明应用于三指式抓持器碰撞预测领域。

主权项

空间机器人的三指式抓持器碰撞预测方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、设计空间机器人的三指式抓取机构的三维模型，根据三维模型建立数学模型；其中，三指式抓取机构由主动部分和被动部分两部分组成，主动部分作为末端执行器安装于服务航天器机械臂末端，被动部分作为机械臂的匹配器安装于故障卫星的可更换模块上；三指式抓取机构中的三指包括1号手指、2号手指和3号手指；1号手指与1号V型槽相对应、2号手指与2号V型槽相对应、3号手指与3号V型槽相对应；三指用于捕捉匹配器，匹配器整体呈圆柱形，带有三个V型导向槽，简称为V型槽；末端平台与三指的根部相连接；步骤二、根据步骤一建立的三维模型和数学模型对三指式抓取机构进行碰撞检测得到碰撞模型，根据碰撞模型侵入量计算碰撞力；其中，碰撞检测具体包括三个手指与三个V型槽的碰撞检测，三个手指与匹配器底面的碰撞检测以及匹配器底面与服务航天器机械臂末端平台的碰撞检测；步骤三、将碰撞模型和机械臂系统模型建立空间机器人的三指式抓取机构的动力学模型，根据三指式抓取机构动力学模型设计空间机器人三指式抓取机构控制系统模型；其中，碰撞模型包括三手指与三个V型槽的碰撞模型、第l号手指与匹配器底面碰撞模型和匹配器底面与末端平台的碰撞模型；步骤三一、建立空间机器人的三指式抓取机构动力学模型具体为：采用Lagrange方程对空间机器人进行动力学建模如下：HbHcHcTHmx··bθ··+cbcm=Fbτm+JbTJmTFexτex]]>式中，Hb为空间集体惯量矩阵，Hc为基体与机械臂耦合惯量矩阵，Hm为机械臂惯量矩阵，为空间机器人的平动速度，为空间机器人的转角加速度，cb为基体的依赖速度的非线性项，cm为机械臂的依赖速度的非线性项，Fb为基体所受外力及外力矩，τm为机械臂的关节力矩，Jb为末端基体雅可比矩阵，Jm为末端关节雅可比矩阵，Fex为机械臂末端所受外力，τex为机械臂末端所受外力矩；步骤三二、建立空间机器人三指式抓取机构的控制系统模型具体为：对服务航天器机械臂进行控制器设计具体过程为：由于碰撞冲击是瞬时的，当碰撞冲击后HcTx··b+Hmθ··+cm=τm]]>忽略本体运动的影响，对服务航天器机械臂关节采用主动阻尼控制：为从编码器中采集的关节角加速度；τm=-Cτθ·+cm]]>式中：Cτ为关节速度阻尼系数，为从编码器中采集的关节角速度；空间机器人三指式抓取机构的基体姿态采用偏差四元数PD控制；设基体姿态的初始四元数为q0，为q0的共轭四元数，目标姿态四元数为qc；误差四元数为qe，则：qe=qc×q‾0]]>取控制律为比例微分控制；则控制力矩τb：τb＝‑Kpq(e)‑Kdωe+τd式中：Kp为基体姿态控制的比例系数阵；Kd为基体姿态控制的微分系数阵；ωe为基体的误差角速度；q(e)＝[qe(1) qe(2) qe(3)]T；其中，qe(1)、qe(2)和qe(3)为误差四元数为qe的前三个分量；设τd为机械臂运动干扰力矩，由空间机器人的三指式抓取机构动力学模型可得:τd=cb+JbTFh+Hbθ··]]>其中，cb为基体速度二次非线性项，为末端碰撞力对基体干扰，为机械臂运动对基体干扰项，Fh为三指式抓取机构的末端力。