工业机器人模拟空间目标运动的方法
【专利摘要】一种工业机器人模拟空间目标运动的方法，包括以下步骤：基于有串联结构的6个可旋转关节的工业机器人的运动学方程，计算工业机器人末端的运动学；如果为平动则利用工业机器人的逆运动学方程，计算得到工业机器人的控制指令并输出，如果为转动则让机器人的第4和第6关节同轴，利用第6关节的转动来模拟目标的转动，机器人的第1、第2和第3关节共同决定转动的轴向，计算得到工业机器人的控制指令并输出，如果为自旋运动则以第6关节的轴线代表自旋轴，利用第6关节模拟转动，第2和第3关节决定腕部中心点的位置高度，第1和第5关节模拟自旋运动轴线的指向，计算得到工业机器人的控制指令并输出。该方法可在地面实现空间目标运动状态的模拟。
【专利说明】工业机器人模拟空间目标运动的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天器的在轨服务、目标测量及目标捕获的【技术领域】，特别是一种工业机器人模拟空间目标运动的方法。
【背景技术】
[0002]所谓的在轨服务，是指在太空中通过人、机器人(或类机器人卫星)或两者协同来完成涉及延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命和能力的空间装配、维修和服务任务。
[0003]目前，对空间目标在轨捕获技术的研究已取得一定的成果，包括空间目标的测量和运动预测、捕获前规划、捕获后复合体系统稳定控制等。同时，对目标运动的特性分析及地面模拟方法也开展了部分研究，目前主要模拟的方法包括数字仿真、三轴转台和转台+气浮台。其中，数字仿真方法在系统分析与设计阶段十分重要，具有实现简单、投资少、灵活性高的优点，但某些部分难以用精确的数学模型进行描述，比如实际操作过程中的误差模型就很难精确的建立；在三轴转台方法中虽介入了物理模型，但由于其几何构型和体积方面的约束，不适合直观的演示目标的自主捕获任务，常用于研究目标姿态，模拟自旋轴的姿态运动；转台+气浮台的方式能很好的对自旋目标的位置和姿态进行模拟，在模拟效果上最为真实，但试验系统的建立和试验任务的开展非常复杂，需要投入巨大的成本，不利于前期关键技术的试验验证和典型操作任务的演示。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种工业机器人模拟空间目标运动的方法，可在地面实现空间目标运动状态的模拟。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]一种工业机器人模拟空间目标运动的方法，所述工业机器人包括串联结构的6个可旋转的关节，6个可旋转的关节分别绕不同的轴旋转，其中每相邻的两个关节的轴线相交于一点，其中第I关节绕S轴旋转，构成腰部，第2关节绕L轴旋转，构成肩部，第3关节绕U轴旋转，构成肘部，第4关节绕R轴旋转，第5关节绕B轴旋转，第6关节绕T轴旋转，第4、第5和第6关节共同构成腕部，所对应的三个轴的轴线交点为腕部中心点,连接每相邻的两个关节之间的部分为连杆；
[0007]所述方法包括以下步骤:
[0008](I)利用欧拉动力学方程计算空间目标的运动学并分析其特点；
[0009](2)利用步骤⑴中得到的空间目标运动学特点，分析对其运动进行模拟的需求；
[0010](3)根据步骤(2)的分析结果，选取需要模拟的运动形式和参数；
[0011](4)基于工业机器人的运动学方程，计算工业机器人末端的运动学；
[0012](5)判断在步骤(3)中选取的运动形式，如果为平动则跳至步骤(6)，如果为转动则跳至步骤(7)，如果为自旋运动则跳至步骤(8)；[0013](6)利用工业机器人的逆运动学方程，计算得到工业机器人的控制指令并输出。
[0014](7)让第4和第6关节同轴，利用第6关节的转动来模拟目标的转动，第1、第2和第3关节共同决定转动的轴向，计算得到工业机器人的控制指令并输出；
[0015](8)以第6关节的轴线代表自旋运动的轴线，利用第6关节模拟转动，第2和第3关节决定腕部中心点的位置高度，第I和第5关节模拟自旋运动轴线的指向，计算得到工业机器人的控制指令并输出。
[0016]根据优选的实施例，本发明的技术方案还可能包括以下一些技术特征:
[0017]步骤(8)中，将目标质心移到腕部中心位置，使工业机器人处于肩部奇异状态，并以连接第5关节和第6关节的第6连杆为自旋轴，从而工业机器人末端的运动为以腕部中心为顶点的圆锥运动，在空间固定轴的法平面内作画圆的运动，处于肩部奇异状态下的自旋运动仅第1、2、3和5关节参与运动，且自旋轴的位置和姿态模拟完全解耦。
[0018]第I至第6关节的关节变量分别为Q1~q6，步骤(8)中，按照以下方式计算和分析模拟空间目标的自旋运动:
[0019]在空间参考坐标系OXYZ中，O为目标质心，ο为运动的圆心，以Oo连线为空间固定轴，以连接第5关节和第6关节的第6连杆为自旋轴，长度为L6,如下式(I)确定qx和qz关于Θ的关系:
[0020]
【权利要求】
1.一种工业机器人模拟空间目标运动的方法，其特征在于， 所述工业机器人包括串联结构的6个可旋转的关节，6个可旋转的关节分别绕不同的轴旋转，其中每相邻的两个关节的轴线相交于一点，其中第I关节绕S轴(S)旋转，构成腰部，第2关节绕L轴(L)旋转，构成肩部，第3关节绕U轴(U)旋转，构成肘部，第4关节绕R轴(R)旋转，第5关节绕B轴⑶旋转，第6关节绕T轴⑴旋转，第4、第5和第6关节共同构成腕部，所对应的三个轴的轴线交点为腕部中心点，连接每相邻的两个关节之间的部分为连杆； 所述方法包括以下步骤: (1)利用欧拉动力学方程计算空间目标的运动学并分析其特点； (2)利用步骤(1)中得到的空间目标运动学特点，分析对其运动进行模拟的需求； (3)根据步骤(2)的分析结果，选取需要模拟的运动形式和参数； (4)基于工业机器人的运动学方程，计算工业机器人末端的运动学； (5)判断在步骤(3)中选取的运动形式，如果为平动则跳至步骤(6)，如果为转动则跳至步骤(7)，如果为自旋运动则跳至步骤(8)； (6)利用工业机器人的逆运动学方程，计算得到工业机器人的控制指令并输出。 (7)让第4和第6关节同轴，利用第6关节的转动来模拟目标的转动，第1、第2和第3关节共同决定转动的轴向，计算得到工业机器人的控制指令并输出； (8)以第6关节的轴线代表自旋运动的轴线，利用第6关节模拟转动，第2和第3关节决定腕部中心点的位置高度，第I和第5关节模拟自旋运动轴线的指向，计算得到工业机器人的控制指令并输出。
2.如权利要求1所述的工业机器人模拟空间目标运动的方法，其特征在于，步骤(8)中，将目标质心移到腕部中心位置，使工业机器人处于肩部奇异状态，并以连接第5关节和第6关节的第6连杆为自旋轴，从而工业机器人末端的运动为以腕部中心为顶点的圆锥运动，在空间固定轴的法平面内作画圆的运动，处于肩部奇异状态下的自旋运动仅第1、2、3和5关节参与运动，且自旋轴的位置和姿态模拟完全解耦。
3.如权利要求1或2所述的工业机器人模拟空间目标运动的方法，其特征在于，第I至第6关节的关节变量分别为士~士，步骤(8)中，按照以下方式计算和分析模拟空间目标的自旋运动: 在空间参考坐标系OXYZ中，O为目标质心，O为运动的圆心，以Oo连线为空间固定轴，以连接第5关节和第6关节的第6连杆为自旋轴，长度为L6,如下式(I)确定qx和qz关于Θ的关系如:
【文档编号】G05B17/02GK103995476SQ201410220432
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】刘厚德, 王学谦, 梁斌, 宋靖雁, 张博 申请人:清华大学深圳研究生院