基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法
【专利摘要】基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，涉及一种空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法。本发明通过简单的机械臂逆运动学计算，得到规划的机械臂各关节角速度，解决漂浮基座下空间机械臂的运动规划问题。计算空间机器人期望的末端线速度和角速度；利用卫星基座的陀螺获得基座角速度；计算卫星基座的线速度；计算基座雅克比矩阵；计算空间机械臂雅克比矩阵；利用基座速度对空间机器人期望的末端速度在工具坐标下进行补偿，计算空间机械臂期望运动的关节速度。本发明考虑了机械臂与卫星基座的耦合运动，在同样的控制律下可以使空间机械臂更快地到达目标点，有利于空间机器人快速规划，可用于空间机器人的在轨维护及操作。
【专利说明】基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，涉及漂浮基座下空间机械臂运动规划领域。
【背景技术】
[0002]随着空间科学技术的发展，人类的活动空间在不断地向太空扩展，日本、加拿大、欧空局、美国等国家和机构大力发展空间机器人技术，并相继发射试验卫星进行了相关试验。空间机器人一般由机器人载体(航天器或卫星)和上面搭载的机械臂构成。空间机器人执行空间任务时，通常基座处于自由漂浮状态，基座载体与机械臂之间存在动力学耦合。机械臂的运动会改变载体卫星的位置和姿态，而载体卫星位置姿态的改变也会反过来影响空间机械臂末端的定位，同时也会放大空间机械臂末端操作器的定位误差，不利于空间机械臂的高精度控制。因此，无法直接将固定基座机械臂的规划方法直接运用于漂浮基座下空间机械臂的运动规划。
[0003]对空间机械臂的运动规划，是空间机器人完成任务的首要条件。在微重力环境下，漂浮基座下的空间机器人的线动量与角动量守恒。一些学者根据空间机器人基座与连杆的关系提出虚拟机械臂的概念，建立了一个无质量的运动链，其基座为虚地。虚拟机械臂仅仅体现了线动量守恒，不能给出机械臂关节空间与工作空间的速度变化关系。另有学者根据线动量守恒和角动量守恒，提出了关于工作空间和关节空间运动速度的广义雅克比矩阵，该矩阵与空间机器人的几何参数、质量和转动惯量有关。在完成空间任务时，卫星本体燃料消耗会引起质量和惯量发生变化，无法实时获得；广义雅克比矩阵计算繁琐、求逆计算量比较大；星载计算机计算能力有限，都使得广义雅克比矩阵很难用于实际工程。因此，提出一种漂浮基座下简单实用的空间机械臂运动计算方法，是非常迫切和必要的。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，通过简单的机械臂逆运动学计算，得到规划的机械臂各关节角速度，解决漂浮基座下空间机械臂的运动规划问题。
[0005]本发明方法利用卫星基座的陀螺获得的基座角速度，并计算的基座线速度，对漂浮基座下的机械臂末端期望速度进行运动补偿，将机械臂与卫星的动力学耦合规划转化为机械臂的运动学规划，通过简单的机械臂逆运动学计算，得到规划的机械臂各关节角速度。基于基座卫星角速度的机械臂工具坐标下的运动补偿方法由以下步骤完成:
[0006]步骤一、根据当前位姿与目标的位姿，计算空间机器人期望的末端线速度 ' 和角速度ωε ；
[0007]步骤二、利用卫星基座的陀螺获得基座角速度ω。；
[0008]步骤三、计算卫星基座的线速度V。；[0009]步骤四、计算基座雅克比矩阵Jb ；
[0010]步骤五、计算空间机械臂雅克比矩阵Jm ；
[0011]步骤六、利用基座速度对空间机器人期望的末端速度在工具坐标下进行补偿，计算空间机械臂期望运动的关节速度6。
[0012]步骤一所述的计算空间机器人期望的末端线速度 ' 和角速度的公式为:
[0013]
【权利要求】
1.一种基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，其特征在于:所述方法的实现过程为: 步骤一、根据空间机器人当前末端位姿与目标的位姿，计算空间机器人期望的末端线速度Ve和角速度； 步骤二、利用卫星基座的陀螺获得基座角速度ω。； 步骤三、计算卫星基座的线速度V。； 步骤四、计算基座雅克比矩阵Jb ; 步骤五、计算空间机械臂雅克比矩阵Jm ; 步骤六、利用基座速度对空间机器人期望的末端速度在工具坐标下进行补偿，计算空间机械臂期望运动的关节速度沴。
2.根据权利要求1所述的基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，其特征在于: 步骤一所述的计算空间机器人期望的末端线速度\和角速度的公式为:
3.根据权利要求2所述的基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，其特征在于: 步骤三所述的计算卫星基座的线速度％的过程为:在空间环境自由漂浮情况下，空间机器人初始线动量为零，根据空间机器人线动量守恒，可得到
4.根据权利要求3所述的基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，其特征在于: 步骤四所述的计算基座雅克比矩阵Jb的过程为:
5.根据权利要求4所述的基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，其特征在于: 步骤五所述的计算空间机械臂雅克比矩阵Jm的过程为:
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于基座卫星角速度的空间机械臂工具坐标下的运动补偿方法，其特征在于: 步骤六所述的利用基座速度对空间机器人期望的末端速度在工具坐标下进行补偿，计算空间机械臂期望运动的关节速度，其过程为: 利用基座卫星速度对空间机械臂的末端速度在工具坐标下补偿,并进行机械臂逆运动学计算，获得空间机械臂期望运动的关节速度；机械臂期望关节速度O可用下式计算:
【文档编号】B25J13/00GK104015191SQ201410242156
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】刘宏, 王滨, 李振宇, 李志奇, 王志超 申请人:哈尔滨工业大学