[发明专利]空间机器人捕获翻滚目标后的轨迹规划方法

摘要

本发明公开了一种空间机器人捕获翻滚目标后的轨迹规划方法，用于解决现有空间目标轨迹规划方法的技术问题。技术方案是首先建立捕获后组合体的动量方程，再进行基座无扰和组合体稳定的轨迹规划，即对机械臂关节和飞轮进行轨迹规划，分析翻滚目标动力学参数不确定性对任务的影响。本发明通过对机械臂关节和飞轮进行轨迹规划，解决了现有方法不能同时实现基座姿态扰动最小化和组合体稳定两种任务，可以同时实现考虑飞轮力矩约束下的基座扰动最小化和组合体的稳定；通过分析翻滚目标动力学参数不确定性对任务的影响，解决了现有方法需要精确知道目标参数的技术问题，基座角速度和机械臂的角速度最终趋于零，实用性好。

主权项

1.一种空间机器人捕获翻滚目标后的轨迹规划方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立捕获后组合体的动量方程；假设空间机器人基座上安装有n自由度机械臂和m自由度的飞轮；在空间机器人捕获翻滚目标后，翻滚目标与机械臂末端执行器固连形成组合体；空间机器人的动量方程描述如下：其中，H_ω，H_bm和H_br为与基座，机械臂和飞轮惯量相关的矩阵；M为组合体的总质量；E₃表示单位矩阵；r_0g＝r_g‑r₀；r₀，r_g分别是基座和系统质心在惯性坐标系下的位置矢量；是一个斜对称矩阵；v_b，ω_b，和分别为基座的速度，角速度，机械臂关节角速度和飞轮的角速度；假设系统的线动量P＝0，式(1)中的角动量方程简化为：在捕获具有初始角动量Lt的翻滚目标后,组合体Lall＝L+Lt的角动量方程记为：其中，代表捕获后矩阵，包含翻滚目标的动力学信息；由于翻滚目标的动力学参数未知，捕获后组合体的动力学参数将发生变化；步骤二、基座无扰和组合体稳定的轨迹规划方法；ωb＝0时，基座姿态的扰动最小；式(3)记为：其中，是机械臂关节角速度的期望值；通过式(3)和式(4)得到：从式(5)中期望的关节角速度表示为：其中，(·)⁺是伪逆；P_RNS是的零空间映射；是一个任意的矢量；式(6)等式右边包含两项；第一项利用基座与机械臂的耦合规划机械臂的运动，将基座的角动量转移到机械臂上；第二项基于零空间的概念将基座和机械臂的运动解耦，利用机械臂的冗余度优化关节的轨迹；在此，通过翻滚目标消旋任务确定末端执行器的角速度ω_e表示为：其中，JRn为广义雅克比矩阵；联合式(6)和式(7)得到：保证基座扰动的最小化和实现消旋任务,令ωe＝[0 0 0]T,ωb＝[0 0 0]T，期望的关节角速度最终表示为：采用额外的角动量吸收装置实现组合体的稳定；使用飞轮吸收组合体上存在的总的角动量；从式(3)中得到：因此，期望的飞轮角速度表示为：由于瞬时吸收能力的约束，飞轮不能立即吸收组合体总的角动量；在此，通过使用饱和函数表示飞轮的控制力矩约束：步骤三、分析翻滚目标动力学参数不确定性对任务的影响；式(9)和式(11)的惯性矩阵中包含翻滚目标的未知动力学参数，这些参数不能预先知道；假定使用惯性矩阵的估计值，将会存在一个偏差，记为:其中，和分别为和的估计值；和为估计偏差；使用估计值，式(6)表示为：当控制关节的实际角速度跟踪上期望的角速度时，从式(13)中得到：上式中ωb收敛到零，基座的姿态实现稳定；式(12)中飞轮的角速度表示为：控制飞轮的角速度跟踪上期望的角速度时，即式中，收敛到零，实现消旋任务；组合体最终实现稳定。