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【发明公布】一种采用空间双臂机器人的自旋目标抓捕方法_西北工业大学_202010741619.3 

申请/专利权人:西北工业大学

申请日:2020-07-29

公开(公告)日:2020-11-24

公开(公告)号:CN111975770A

主分类号:B25J9/16(20060101)

分类号:B25J9/16(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2022.07.26#授权;2020.12.11#实质审查的生效;2020.11.24#公开

摘要:本发明涉及一种采用空间双臂机器人的自旋目标抓捕方法,该方法可以在目标自旋条件下实现目标的抓捕并能降低对目标抓捕位置准确性的要求,减少燃料消耗,有效实现空间双臂机器人对自旋目标的抓捕并使抓捕过程高效可靠。

主权项:1.一种采用空间双臂机器人的自旋目标抓捕方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:结合球形抓捕器,建立双臂空间机器人与目标的系统动力学模型,包括以下子步骤:步骤1.1:假设空间机器人平台姿态是稳定的,定义空间机器人右臂第一关节点O为参考坐标系的原点,目标质心位置为OTx,y;目标质心位置在空间机器人本体坐标系下为x,y;机械臂关节数为Nii=1,2,其中i=1表示机器人右臂,i=2表示机器人左臂;两个机械臂末端为抓捕器球心位置,分别定义为O01x01,y01和O02x02,y02,则两个机械臂末端位置表示为: 其中,分别为左臂与右臂连杆长度,为第i个机械臂关节角矢量,l0为两机械臂第一个关节间距离;O1与O2为抓捕器与目标接触点,在空间机器人坐标系中表示为x1,y1与x2,y2,计算公式为: 其中,θ为目标姿态角,r为球形抓捕器半径,目标质心与接触点距离定义为Yii=1,2; 其中,p0i为常数,由初始接触位置决定。为求和矢量,考虑到机械臂与目标的相对位置关系,Yi可以表示为:Yi=x0i-xsinθ+y0i-ycosθi=1,24因此,机械臂与目标表面的切向约束Ri可以表示为: 法向约束Qi可以表示为: 其中,l1,l2为目标质心到目标表面的距离;步骤1.2:结合上一子步骤得到的切向约束力和法向约束力,建立系统动力学模型:约束条件56重新表达为:R=λ1R1+λ2R2,Q=f1Q1+f2Q27其中λi为切向力用于目标消旋,fi为法向力用于抓捕;空间双臂机器人与被抓捕目标组成系统的拉格朗日函数L可表示为:L=K+Q+R8其中为系统动能函数,z=x,y,θT为目标状态参数,Hi表示第i个机械臂的惯量矩阵,H0=diag.M,M,I为目标的惯量矩阵,M为目标质量,I为目标转动惯量;根据应用汉密尔顿原理描述函数L的变分形式为: 其中,ui为第i个机械臂的控制输入;求解方程9,得到约束条件下空间机器人抓捕系统动力学方程为: 其中为反对称矩阵,表示离心力与哥氏力;同时可得目标动力学方程为; 其中, 步骤2:设计柔顺控制方法,实现目标的同步消旋与抓捕,包括以下子步骤:步骤2.1:根据目标动力学方程11,在力平衡条件下有: -f1Y1+f2Y2+l1λ1-l2λ2=016为保证力平衡条件15,16成立,必须满足 其中l=l1+l2为两抓捕平面间距离,为满足稳定抓捕完成后切向力为0,必须满足Y1-Y2=0;步骤2.2:定义状态变量设计控制器输入ui满足稳定条件M,其中: 设计消旋抓捕控制器为: 其中,fd为法向期望力,Ci为反馈增益矩阵,上式中等号右端第一项为关节阻尼,保证抓捕力柔顺,第二项为相对力,用来保持抓捕后稳定;根据公式4与公式6可得:Y1-Y2=x01-x02sinθ+y01-y02cosθ20-Q2-Q1=x01-x02cosθ-y01-y02sinθ+lr=021其中,lr=r1+r2+l是仅为简化公式引入的数学表达;根据公式20与公式21,公式19表达的控制输入ui被重新改写为: 最终完成控制器设计,实现目标的同步消旋与抓捕。

全文数据:

权利要求:

百度查询: 西北工业大学 一种采用空间双臂机器人的自旋目标抓捕方法

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