空间机器人的三指式抓持器碰撞预测方法与流程

本发明涉及三指式抓持器碰撞预测方法，特别涉及空间机器人的三指式抓持器碰撞预测方法。

背景技术：
.随着在轨服务技术的不断发展，当卫星等小型航天器在轨运行发生故障时，可通过发射服务航天器对其进行在轨修复。服务航天器入轨后与故障卫星进行交会对接，其上携带的空间机械臂抓取卫星上的故障模块将其从接口箱中拔出，再将新的模块插入，完成修复任务。因此，卫星在设计时，各功能模块应使用统一的匹配器，而机械臂末端则安装相应的执行器，实现机械臂对模块的快速抓取。匹配器与执行器配套形成抓取机构，应具备构型简单，结构精巧，通用化，系列化等特点。美国的“轨道快车”计划是小型航天器在轨维护的典型例子，目标星NextSat上可更换功能模块均采用统一的ORU接口，该接口末端有一个伸出短杆可供服务航天器ASTRO上的机械臂进行抓取与拉近。这种抓取方式操作简单，但抓取时要靠接口上的导向瓣调整姿态，调整能力有限，因此对机械臂在抓取前的末端姿态确定要求较高，当末端与接口存在较大姿态偏差时，容易造成抓取失败。德国的机器人技术试验(ROTEX)和轻型机器人计划(DLR)分别采用机械臂末端携带多传感器钳形机械手和多自由度多指灵巧手完成了空间抓取任务，可抓取任意形状的物体，灵活性较强，但缺乏机械可靠性和实用性，并且存在抓取稳固性和控制复杂性等问题。日本空间局发射的ETS-VII完成了对漂浮卫星的首次自主抓取实验，该工程中机械臂末端装有一个三指多敏感器机械手，三手指各有一个自由度(2个转动，1个平动)，并在平动手指尖端装有一组插脚，适应目标外形。与该机械手匹配的是目标卫星有效载荷上的通用化抓钩式接口(GrapleFixture，GPF)。但由于ETS-VII机械臂末端手指刚度有限，对目标的位姿矫正能力较差，抓取前需要高精度定位和定姿。抓取分析方面，X.Cyril和K.Yoshida等分析了机械臂抓取目标的碰撞动力学及运动学模型，H.Panfeng等建立了碰撞力及其对各关节影响的映射关系，应用自适应控制对目标参数及碰撞力大小不确定情况下的抓取控制进行研究，D.DIMITROV等讨论了空间机器人与目标在抓取过程中的动量交换与传递；魏承等提出了“动态抓取域”对抓取碰撞进行分析并设计了有效的抓取策略。

技术实现要素：
本发明的目的是为了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。上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：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；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：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；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：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: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。发明效果针对空间机器人在轨抓取操作设计了一种三指式抓取机构，主动部分作为末端执行器安装于机械臂末端，被动部分作为匹配器安装于可更换模块上。通过对抓取机构进行数学模型简化与抓取过程分析，建立抓取机构碰撞检测模型，详细分析手指与匹配器V型槽、手指与匹配器底面、匹配器底面与末端平台的碰撞形式，并给出碰撞力计算公式。建立空间漂浮基六自由度机械臂动力学模型，应用关节主动阻尼控制减小抓取碰撞对空间机器人的冲击影响，应用偏差四元数PD控制实现抓取过程基体的姿态稳定。对初始时刻匹配器具有轴向位置偏差、径向位置偏差、轴向姿态偏差、径向姿态偏差等工况进行仿真，结果表明：三指式抓取机构能够完成模块的抓取操作，位姿偏差均能得到有效消除，控制器有效降低了抓取碰撞对机械臂系统的冲击，基体姿态几乎不受影响，验证了该抓取机构的可应用性。结论对空间机器人的抓取控制有着重要的理论价值及工程实际意义。本发明设计了一种三指式抓取机构，结构简单，具有半灵活性(Semi-dexterous)，适用于空间机械臂对可更换模块的抓取操作。对该机构进行了数学建模与详细的碰撞检测分析，以空间六自由度机械臂抓取漂浮基体自身模块为算例进行了抓取过程仿真，验证了数学模型的正确性，对各种初始偏差工况进行仿真，验证了三指式末端执行器设计的有效性与可应用性。本发明以空间漂浮基体携带六自由度机械臂抓取自身可更换模块为研究对象，设计了适用的三指式末端执行机构，并对抓取过程进行了仿真分析，结论如下：(1)针对空间机械臂的抓取操作设计了三指式末端执行机构，对其进行了数学模型简化与抓取过程分析；(2)对三指式抓取机构进行了碰撞检测建模，分析了末端执行器手指与匹配器V型槽和底面的碰撞形式，以及匹配器底面与末端平台的碰撞形式，给出了碰撞力的计算准则；(3)对空间漂浮基六自由度机械臂系统进行了动力学建模，设计了关节主动阻尼控制与基体偏差四元数PD控制器，保证了抓取过程中机械臂系统与基体姿态的稳定；(4)对匹配器初始时刻具有轴向位置偏差、径向位置偏差、轴向姿态偏差、径向姿态偏差等工况分别进行仿真，结果显示三指式抓取机构能够实现模块的有效抓取，位姿偏差均能收敛至允许范围内如图13(b)～(f)。附图说明图1为具体实施方式一提出的抓取机构装配图；图2(a)为具体实施方式一提出的抓取初始三维模型示意图；图2(b)为具体实施方式一提出的抓取过程三维模型示意图；图3为具体实施方式二提出的匹配器数学模型图；图4(a)为具体实施方式一提出的抓取初始状态数学模型示意图；图4(b)为具体实施方式一提出的抓取结束状态数学模型示意图；图5为具体实施方式三提出的手指1在惯性系下位置示意图；图6为具体实施方式三提出的手指1在匹配器坐标系下的位置示意图；图7(a)为具体实施方式三提出的手指与V型槽未碰撞检测图；图7(b)为具体实施方式三提出的手指与V型槽碰撞检测图；图8为具体实施方式三提出的手指与V型槽碰撞总体描述示意图；图9为具体实施方式四提出的手指与匹配器底面碰撞检测示意图；图10(a)为具体实施方式五提出的匹配器底面与末端平台未碰撞检测示意图；图10(b)为具体实施方式五提出的匹配器底面与末端平台碰撞检测示意图；图11为具体实施方式一提出的抓取过程示意图；图12为具体实施方式一提出的空间机械臂动力学模型图；图13(a)为实施例提出的无初始偏差抓取过程-匹配器位置误差仿真图；图13(b)为实施例提出的无初始偏差抓取过程-手指1碰撞力示意图；图13(c)为实施例提出的无初始偏差抓取过程-手指2碰撞力示意图；图13(d)为实施例提出的无初始偏差抓取过程-手指3碰撞力示意图；图13(e)为实施例提出的无初始偏差抓取过程-末端平台碰撞力示意图；图13(f)为实施例提出的无...