工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法
【專利摘要】一種工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法，包括以下步驟：基于有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的6個(gè)可旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算工業(yè)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)；如果為平動(dòng)則利用工業(yè)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出，如果為轉(zhuǎn)動(dòng)則讓機(jī)器人的第4和第6關(guān)節(jié)同軸，利用第6關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)模擬目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人的第1、第2和第3關(guān)節(jié)共同決定轉(zhuǎn)動(dòng)的軸向，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出，如果為自旋運(yùn)動(dòng)則以第6關(guān)節(jié)的軸線代表自旋軸，利用第6關(guān)節(jié)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)，第2和第3關(guān)節(jié)決定腕部中心點(diǎn)的位置高度，第1和第5關(guān)節(jié)模擬自旋運(yùn)動(dòng)軸線的指向，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出。該方法可在地面實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬。
【專利說(shuō)明】工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器的在軌服務(wù)、目標(biāo)測(cè)量及目標(biāo)捕獲的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]所謂的在軌服務(wù)，是指在太空中通過(guò)人、機(jī)器人(或類機(jī)器人衛(wèi)星)或兩者協(xié)同來(lái)完成涉及延長(zhǎng)衛(wèi)星、平臺(tái)、空間站附屬艙和空間運(yùn)載器壽命和能力的空間裝配、維修和服務(wù)任務(wù)。
[0003]目前，對(duì)空間目標(biāo)在軌捕獲技術(shù)的研究已取得一定的成果，包括空間目標(biāo)的測(cè)量和運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)、捕獲前規(guī)劃、捕獲后復(fù)合體系統(tǒng)穩(wěn)定控制等。同時(shí)，對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的特性分析及地面模擬方法也開(kāi)展了部分研究，目前主要模擬的方法包括數(shù)字仿真、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)+氣浮臺(tái)。其中，數(shù)字仿真方法在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)階段十分重要，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、投資少、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，但某些部分難以用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，比如實(shí)際操作過(guò)程中的誤差模型就很難精確的建立；在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)方法中雖介入了物理模型，但由于其幾何構(gòu)型和體積方面的約束，不適合直觀的演示目標(biāo)的自主捕獲任務(wù)，常用于研究目標(biāo)姿態(tài)，模擬自旋軸的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)臺(tái)+氣浮臺(tái)的方式能很好的對(duì)自旋目標(biāo)的位置和姿態(tài)進(jìn)行模擬，在模擬效果上最為真實(shí)，但試驗(yàn)系統(tǒng)的建立和試驗(yàn)任務(wù)的開(kāi)展非常復(fù)雜，需要投入巨大的成本，不利于前期關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證和典型操作任務(wù)的演示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法，可在地面實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法，所述工業(yè)機(jī)器人包括串聯(lián)結(jié)構(gòu)的6個(gè)可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，6個(gè)可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)分別繞不同的軸旋轉(zhuǎn)，其中每相鄰的兩個(gè)關(guān)節(jié)的軸線相交于一點(diǎn)，其中第I關(guān)節(jié)繞S軸旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成腰部，第2關(guān)節(jié)繞L軸旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成肩部，第3關(guān)節(jié)繞U軸旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成肘部，第4關(guān)節(jié)繞R軸旋轉(zhuǎn)，第5關(guān)節(jié)繞B軸旋轉(zhuǎn)，第6關(guān)節(jié)繞T軸旋轉(zhuǎn)，第4、第5和第6關(guān)節(jié)共同構(gòu)成腕部，所對(duì)應(yīng)的三個(gè)軸的軸線交點(diǎn)為腕部中心點(diǎn),連接每相鄰的兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的部分為連桿；
[0007]所述方法包括以下步驟:
[0008](I)利用歐拉動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)學(xué)并分析其特點(diǎn)；
[0009](2)利用步驟⑴中得到的空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，分析對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬的需求；
[0010](3)根據(jù)步驟(2)的分析結(jié)果，選取需要模擬的運(yùn)動(dòng)形式和參數(shù)；
[0011](4)基于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算工業(yè)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)；
[0012](5)判斷在步驟(3)中選取的運(yùn)動(dòng)形式，如果為平動(dòng)則跳至步驟(6)，如果為轉(zhuǎn)動(dòng)則跳至步驟(7)，如果為自旋運(yùn)動(dòng)則跳至步驟(8)；[0013](6)利用工業(yè)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出。
[0014](7)讓第4和第6關(guān)節(jié)同軸，利用第6關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)模擬目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)，第1、第2和第3關(guān)節(jié)共同決定轉(zhuǎn)動(dòng)的軸向，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出；
[0015](8)以第6關(guān)節(jié)的軸線代表自旋運(yùn)動(dòng)的軸線，利用第6關(guān)節(jié)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)，第2和第3關(guān)節(jié)決定腕部中心點(diǎn)的位置高度，第I和第5關(guān)節(jié)模擬自旋運(yùn)動(dòng)軸線的指向，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出。
[0016]根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，本發(fā)明的技術(shù)方案還可能包括以下一些技術(shù)特征:
[0017]步驟(8)中，將目標(biāo)質(zhì)心移到腕部中心位置，使工業(yè)機(jī)器人處于肩部奇異狀態(tài)，并以連接第5關(guān)節(jié)和第6關(guān)節(jié)的第6連桿為自旋軸，從而工業(yè)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)為以腕部中心為頂點(diǎn)的圓錐運(yùn)動(dòng)，在空間固定軸的法平面內(nèi)作畫圓的運(yùn)動(dòng)，處于肩部奇異狀態(tài)下的自旋運(yùn)動(dòng)僅第1、2、3和5關(guān)節(jié)參與運(yùn)動(dòng)，且自旋軸的位置和姿態(tài)模擬完全解耦。
[0018]第I至第6關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量分別為Q1~q6，步驟(8)中，按照以下方式計(jì)算和分析模擬空間目標(biāo)的自旋運(yùn)動(dòng):
[0019]在空間參考坐標(biāo)系OXYZ中，O為目標(biāo)質(zhì)心，ο為運(yùn)動(dòng)的圓心，以O(shè)o連線為空間固定軸，以連接第5關(guān)節(jié)和第6關(guān)節(jié)的第6連桿為自旋軸，長(zhǎng)度為L(zhǎng)6,如下式(I)確定qx和qz關(guān)于Θ的關(guān)系:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法，其特征在于， 所述工業(yè)機(jī)器人包括串聯(lián)結(jié)構(gòu)的6個(gè)可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，6個(gè)可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)分別繞不同的軸旋轉(zhuǎn)，其中每相鄰的兩個(gè)關(guān)節(jié)的軸線相交于一點(diǎn)，其中第I關(guān)節(jié)繞S軸(S)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成腰部，第2關(guān)節(jié)繞L軸(L)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成肩部，第3關(guān)節(jié)繞U軸(U)旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成肘部，第4關(guān)節(jié)繞R軸(R)旋轉(zhuǎn)，第5關(guān)節(jié)繞B軸⑶旋轉(zhuǎn)，第6關(guān)節(jié)繞T軸⑴旋轉(zhuǎn)，第4、第5和第6關(guān)節(jié)共同構(gòu)成腕部，所對(duì)應(yīng)的三個(gè)軸的軸線交點(diǎn)為腕部中心點(diǎn)，連接每相鄰的兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的部分為連桿； 所述方法包括以下步驟: (1)利用歐拉動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)學(xué)并分析其特點(diǎn)； (2)利用步驟(1)中得到的空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，分析對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬的需求； (3)根據(jù)步驟(2)的分析結(jié)果，選取需要模擬的運(yùn)動(dòng)形式和參數(shù)； (4)基于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算工業(yè)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)； (5)判斷在步驟(3)中選取的運(yùn)動(dòng)形式，如果為平動(dòng)則跳至步驟(6)，如果為轉(zhuǎn)動(dòng)則跳至步驟(7)，如果為自旋運(yùn)動(dòng)則跳至步驟(8)； (6)利用工業(yè)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出。 (7)讓第4和第6關(guān)節(jié)同軸，利用第6關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)模擬目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)，第1、第2和第3關(guān)節(jié)共同決定轉(zhuǎn)動(dòng)的軸向，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出； (8)以第6關(guān)節(jié)的軸線代表自旋運(yùn)動(dòng)的軸線，利用第6關(guān)節(jié)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)，第2和第3關(guān)節(jié)決定腕部中心點(diǎn)的位置高度，第I和第5關(guān)節(jié)模擬自旋運(yùn)動(dòng)軸線的指向，計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人的控制指令并輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法，其特征在于，步驟(8)中，將目標(biāo)質(zhì)心移到腕部中心位置，使工業(yè)機(jī)器人處于肩部奇異狀態(tài)，并以連接第5關(guān)節(jié)和第6關(guān)節(jié)的第6連桿為自旋軸，從而工業(yè)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)為以腕部中心為頂點(diǎn)的圓錐運(yùn)動(dòng)，在空間固定軸的法平面內(nèi)作畫圓的運(yùn)動(dòng)，處于肩部奇異狀態(tài)下的自旋運(yùn)動(dòng)僅第1、2、3和5關(guān)節(jié)參與運(yùn)動(dòng)，且自旋軸的位置和姿態(tài)模擬完全解耦。
3.如權(quán)利要求1或2所述的工業(yè)機(jī)器人模擬空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方法，其特征在于，第I至第6關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量分別為士~士，步驟(8)中，按照以下方式計(jì)算和分析模擬空間目標(biāo)的自旋運(yùn)動(dòng): 在空間參考坐標(biāo)系OXYZ中，O為目標(biāo)質(zhì)心，O為運(yùn)動(dòng)的圓心，以O(shè)o連線為空間固定軸，以連接第5關(guān)節(jié)和第6關(guān)節(jié)的第6連桿為自旋軸，長(zhǎng)度為L(zhǎng)6,如下式(I)確定qx和qz關(guān)于Θ的關(guān)系如:
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK103995476SQ201410220432
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】劉厚德, 王學(xué)謙, 梁斌, 宋靖雁, 張博 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院