一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法技術
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，屬于機器人軌跡規劃
技術介紹
隨著航天事業的發展，航天器規模日益增大，類似于大型空間站、大型高軌通訊衛星的航天器得到廣泛使用，這些航天器的尺寸通常可達到數十米甚至是百米量級。對此類航天器的在軌組裝、維護、維修、部件更換等任務要求更強的空間在軌服務能力。目前的在軌維修通常依靠宇航員出艙完成，這增大了任務的復雜性和危險性，提高了任務成本。因此研究具備在軌服務能力的空間機器人成為各個航天大國的研究熱點，例如日本的ETS-VII、美國的軌道快車等任務驗證了空間機器人在軌捕獲衛星并進行維護的關鍵技術。(Oda,M.\Space robot experiments on NASDA's ETS-VII satellite-preliminary overview of the experiment results.\Robotics&Automation.proceedings.IEEE International Conference on 2(1999):1390-1395vol.2.Motaghedi,Pejmun.\On-orbit performance of the Orbital Express Capture System.\Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering 6958(2008):69580E-69580E-12.)但是現有的機器人通常僅帶有一部機械臂，維護的對象為小型的合...
【技術保護點】
一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，其特征在于包含以下步驟：(1)根據空間移動多臂機器人具體位置轉移任務要求，確定第一機械臂兩端所需到達的位置以及第二機械臂兩端所需到達的位置；(2)根據步驟(1)中確定的第一機械臂兩端所需到達的位置以及第二機械臂兩端所需到達的位置，解算出第一機械臂兩端的位移、速度和加速度的時間歷程以及第二機械臂兩端的位移、速度和加速度的時間歷程；(3)規劃第一機械臂的運動，根據機械臂運動學方程以及步驟(2)中確定的第一機械臂兩端的移動軌跡，解算出第一機械臂各個關節角位移、速度和加速度的時間歷程；(4)規劃第二機械臂的運動，根據機械臂運動學方程以及步驟(2)中確定的第二機械臂兩端的移動軌跡，解算出第二機械臂各個關節角位移、速度和加速度的時間歷程；(5)根據步驟(3)中確定的第一機械臂各個關節角位移以及步驟(4)中確定的第二機械臂各個關節角位移，確定空間移動多臂機器人的移動軌跡；(6)根據所述空間移動多臂機器人的移動軌跡，判斷兩個機械臂之間、機械臂與機器人平臺之間、機械臂與目標航天器之間是否發生碰撞，若均未發生碰撞，則空間移動多臂機器人的移動軌跡安全，否則表示移動軌...
【技術特征摘要】
1.一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，其特征在于包含以下步驟：(1)根據空間移動多臂機器人具體位置轉移任務要求，確定第一機械臂兩端所需到達的位置以及第二機械臂兩端所需到達的位置；(2)根據步驟(1)中確定的第一機械臂兩端所需到達的位置以及第二機械臂兩端所需到達的位置，解算出第一機械臂兩端的位移、速度和加速度的時間歷程以及第二機械臂兩端的位移、速度和加速度的時間歷程；(3)規劃第一機械臂的運動，根據機械臂運動學方程以及步驟(2)中確定的第一機械臂兩端的移動軌跡，解算出第一機械臂各個關節角位移、速度和加速度的時間歷程；(4)規劃第二機械臂的運動，根據機械臂運動學方程以及步驟(2)中確定的第二機械臂兩端的移動軌跡，解算出第二機械臂各個關節角位移、速度和加速度的時間歷程；(5)根據步驟(3)中確定的第一機械臂各個關節角位移以及步驟(4)中確定的第二機械臂各個關節角位移，確定空間移動多臂機器人的移動軌跡；(6)根據所述空間移動多臂機器人的移動軌跡，判斷兩個機械臂之間、機械臂與機器人平臺之間、機械臂與目標航天器之間是否發生碰撞，若均未發生碰撞，則空間移動多臂機器人的移動軌跡安全，否則表示移動軌跡不安全，返回步驟(1)重新規劃在多臂移動過程中第一機械臂兩端所需到達的位置以及第二機械臂兩端所需到達的位置。2.根據權利要求1所述的一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，其特征在于：所述第一機械臂是指同時連接目標航天器和機器人平臺的機械臂，第二機械臂是指僅連接機器人平臺的機械臂。3.根據權利要求1或2所述的一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，其特征在于：所述第一機械臂和第二機械臂均為七自由度機械臂，即均包含七個關節和七節機械臂。4.根據權利要求1所述的一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，其特征在于：所述步驟(2)根據第一機械臂兩端所需到達的位置以及第二機械臂兩端所需到達的位置，解算出第一機械臂兩端的位移、速度和加速度的時間歷程以及第二機械臂兩端的位移、速度和加速度的時間歷程，具體為： r w ( t ) = r w 0 ( t ) + 6 ( r w f - r w 0 ) t f 5 t 5 - 15 ( r w f - r w 0 ) t f 4 t 4 + 10 ( r w f - r w 0 ) t f 3 t 3 ]]> r · w ( t ) = 30 ( r w f - r w 0 ) t f 5 t 4 - 60 ( r w f - r w 0 ) t f 4 t 3 + 30 ( r w f - r w 0 ) t f 3 t 2 ]]> r ·· w ( t ) = 120 ( r w f - r w 0 ) t f 5 t 3 - 180 ( r w f - r w 0 ) t f 4 t 2 + 60 ( r w f - r w 0 ) t f 3 t ]]>其中，rw表示第一機械臂或第二機械臂某一端的平動位移，表示第一機械臂或第二機械臂某一端的速度,表示第一機械臂或第二機械臂某一端的加速度,rw0表示第一機械臂或第二機械臂某一端的初始位置,rwf表示第一機械臂或第二機械臂某一端所需到達的位置，w＝t1時對應第一機械臂末端，w＝t2時對應第二機械臂末端，w＝b時對應第一機械臂或第二機械臂連接機器人平臺的一端，tf是總移動時間，t∈[0，tf]。5.根據權利要求1所述的一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，其特征在于：所述步驟(3)解算出第一機械臂各個關節角位移、速度和加速度的時間歷程，具體為：(5.1)結合機械臂的運動學關系，寫出第一機械臂末端位置，機器人平臺位置與各關節旋轉角度之間的等式關系 r t 1 ( t ) = r b ( t ) + r b 1 + Σ i = 1 7 A b i ( θ i 1 ) r i ]]>其中，rt1表示第一機械臂末端相對機器人平臺質心的位置，rb表示機器人平臺質心的平動位移，rb1表示第一機械臂的安裝位置，ri表示第i節機械臂體坐標系中坐標原點相對該節末端的矢徑，i＝1,2,..,7；是根據第一機械臂各關節轉角得到的第i節機械臂體坐標系與機器人平臺坐標系之間的轉換矩陣；對(5.1)中的等式關系求導，得到第一機械臂末端速度與其他部位間的相對關系 r · t 1 ( t ) = r · b ( t ) - Σ i = 1 7 A b i ( θ i 1 ) r ~ i 7 Γ i θ · i 1 ]]>其中，和為第一機械臂末端和機器人平臺的速度，機器人平臺的速度即為機械臂另一端的速度，ri7表示在第i節機械臂坐標系中第i節機械臂坐標系原點到機械臂末端的矢徑，Γi表示第i節關節的旋轉方向，表示第一機械臂的第i個關節角速度；(5.2)結合機械臂的運動學方程，寫出第一機械臂末端姿態與各關節旋轉角度之間的等式關系 ω t 1 = Σ i = 1 7 A 7 i ( θ i 1 ) Γ i θ · i 1 ]]>其中，是根據第一機械臂各關節轉角得到的第i節機械臂體坐標系與第7節機械臂體坐標系之間的轉換矩陣；ωt1是第一機械臂末端姿態角速度，且通過五次多項式規劃得到，具體為： σ · 1 ( t ) = 30 σ m 1 t f 5 t 4 - 60 σ m 1 t f 4 t 3 + 30 σ m 1 t f 3 t 2 ]]>σm1和ne1由第一機械臂末端初始姿態與期望姿態之間的姿態誤差四元數得出 σ m 1 = 2 a r c c o s ( q e 0 1 ) , n e 1 = 1 s i n σ m 1 2 q ‾ e 1 ; ]]>(5.3)將步驟(5.1)中得到的第一機械臂末端速度與其他部位間的相對關系與步驟(5.2)中得到的第一機械臂末端姿態與各關節旋轉角度之間的等式關系聯立，通過廣義雅可比矩陣J描述空間機器人平臺質心和第一機械臂末端運動速度與關節速度之間的關系，寫出第一機械臂的運動學方程 X · E 1 = J η · 1 ]]>其中(5.4)對步驟(5.3)中得到的第一機械臂的運動學方程利用逆運動學反解，得到第一機器臂各關節的移動軌跡，即得到第一機械臂各個關節角位移、速度和加速度的時間歷程，具體為： η 1 = ∫ η · 1 d t ; ]]> η · 1 = J + X · E 1 ; ]]> η ·· 1 = J + X ·· E 1 + J · + X · E 1 ; ]]>其中J+為廣義雅可比矩陣J的Moore-Pseudo廣義逆，記為J+＝JT(JJT)-1；和分別是和J+的一階導數。6.根據權利要求1所述的一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，其特征在于：所述步驟(4)解算出第二機械臂各個關節角位移、速度和加速度的時間歷程，具體為：(6.1)結合機械臂的運動學關系，寫出第二機械臂末端位置，機器人平臺位置與各關節旋轉角度之間的等式關系 r t 2 ( t ) = r b ( t ) + r b 2 + Σ i = 1 7 A b i ( θ i 2 ) r i ]]>其中，rt2表示第二機械臂末端相對機器人平臺質心的位置，rb表示機器人平臺質心的平動位移，rb2表示第二機械臂的安裝位置，ri表示第i節機械臂體坐標系中坐標原點相對該節末端的矢徑，i＝1,2,..,7；是根據第二機械臂各關節轉角得到的第i節機械臂體坐標系與機器人平臺坐標系之間的轉換矩陣；對(6.1)中的等式關系求導，得到第二機械臂末端速度與其他部位間的相對關系 r · t 2 ( t ) = r · b ( t ) - Σ i = 1 7 A b i ( θ i 2 ) r ~ i 7 Γ i θ · i 2 ]]>其中，和為第二機械臂末端和機器人平臺的速度，機器人平臺的速度即為機械臂另一端的速度，ri7表示在第i節機械臂坐標系中第i節機械臂坐標系原點到機械臂末端的矢徑，Γi表示第i節關節的旋轉方向，表示第二機械臂的第i個關節角速度；(6.2)結合機械臂的運動學方程，寫出第二機械臂末端姿態與各關節旋轉角度之間的等式關系 ω t 2 = Σ i = 1 7 A 7 i ( θ i 2 ) Γ i θ · i 2 ]]>其中，是根據第二機械臂各關節轉角得到的第i節機械臂體坐標系與第7節機械臂體坐標系之間的轉換矩陣；ωt2是第二機械臂末端姿態角速度，且通過五次多項式規劃得到，具體為： σ · 2 ( t ) = 30 σ m 2 t f 5 t 4 - 60 σ m 2 t f 4 t 3 + 30 σ m 2 t f 3 t 2 ]]>σm2和ne2由第二機械臂末端初始姿態與期望姿態之間的姿態誤差四元數得出 σ m 2 = 2 arccos ( q e 0 2 ) , n e 2 = 1 s i n σ m 2 2 q ‾ e 2 ]]>(6.3)將步驟(6.1)中得到的第二機械臂末端速度與其他部位間的相對關系與步驟(6.2)中得到的第二機械臂末端姿態與各關節旋轉角度之間的等式關系聯立，通過廣義雅可比矩陣J描述空間機器人平臺質心和第二機械臂末端運動速度與關節速度之間的關系，寫出第二機械臂的運動學方程 X · E 2 = J η · 2 ]]>其中(6.4)對步驟(6.3)中得到的第二機械臂的運動學方程利用逆運動學反解，得到第二機器臂各關節的移動軌跡，即得到第二機械臂各個關節角位移、速度和加速度的時間歷程，具體為： η 2 = ∫ η · 2 d t ]]> η · 2 = J + X · E 2 ]]> η ·· 2 = J + X ·· E 2 + J · + X · E 2 ]]>其中J+為廣義雅可比矩陣J的Moore-Pseudo廣義逆，記為J+＝JT(JJT)-1；和分別是和J+的一階導數。7.根據權利要求1所述的一種空間移動多臂機器人的移動軌跡規劃方法，其特征在于：所述步驟(5)根據第一機械臂各個關節角位移以及第二機械臂各個關節角位移確定空間移動多臂機器人的移動軌跡，即各節機械臂的移動軌跡，具體為： r 1 1 ( t ) = r b ( t ) + r b 1 + A b 1 ( θ 1 1 ) r 1 r 1 2 ( t ) = r b ( t ) + r b 2 + A b 1 ( θ 1 2 ) r 1 ]]> r 2 1 ( t ) = r b ( t ) + r b 1 + Σ i = 1 2 A b i ( θ i 1 ) r i r 2 2 ( t ) = r b ( t ) + r b 2 + Σ i = 1 2 A b i ( θ i 2 ) r i ]]> r 3 1 ( t ) = r ...
【專利技術屬性】
技術研發人員：湯亮，張海博，何英姿，胡權，張軍，王勇，
申請(專利權)人：北京控制工程研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11
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