一種變構型空間機器人及路徑規劃方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種變構型空間機器人及路徑規劃方法，特別涉及一種基于奇異度量 避免機器人奇異的路徑規劃算法和自主變構型機器人設計，屬于空間機器人領域。
【背景技術】
[0002] 使用空間機器人對超出服役期或出現故障的航天器進行回收、維護、再利用，可以 節約大量的人力資源和資金。但是由于空間機器人捕獲目標是一項復雜的空間操作，通常 機械臂的構型參數（臂桿長度、關節轉軸方向等）是針對某一特定的任務設計。為了使機 械臂具有更強的通用性，降低整個航天任務的成本，期望機械臂具有變構型、變臂桿長度的 特點。為此，一種"被動圓柱鉸"機構被設計。被動圓柱鉸連接了兩個剛性臂桿，內部有被 動鎖死裝置。在平時操作中，圓柱鉸內部鎖死，固定兩個剛性體間的相對平動和轉動。在空 間機器人變構型過程中，機械臂末端作動器捕獲空間機器人平臺上某一點，或者兩部機械 臂的末端作動器互相捕獲形成閉環結構，然后釋放被動圓柱鉸內部的鎖死機構，通過在其 余關節上施加力矩，改變兩個剛體間的相對平動和轉動，實現機械臂自主的變構型過程。
[0003] 被動圓柱鉸這種新型鉸鏈的加入，給系統運動規劃帶來難題一一活動自由度增 大，且需要規劃鉸鏈內部的運動。現有的研宄僅針對鉸鏈數目較少的變構型機械臂系統，算 法適用性還無法滿足在軌應用的需求。此外，由于空間機器人自由度較多，構型容易陷入奇 異，需要設計路徑規劃算法在實現空間機器人變構型的同時，避免構型奇異，目前國內外還 沒有一種適合于多自由度數的變構型機械臂系統的路徑規劃方法。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是：針對現有技術的不足，提供了一種變構型空間機器 人及路徑規劃方法，實現了機械臂的自主變構型，提高了機械臂在軌操作能力。
[0005] 本發明的方法是通過下述技術方案實現的。
[0006] 一種自主變構型空間機器人包括：第一剛體、第二剛體、被動圓柱鉸、空間機器人 平臺、多個機器臂；其中每個機械臂又包括第一臂桿、第二臂桿、第三臂桿、第四臂桿、第五 臂桿和第六臂桿；第二臂桿又包括臂桿A和臂桿B，第三臂桿又包括臂桿C和臂桿D;
[0007] 第一剛體、第二剛體通過被動圓柱鉸相連；
[0008] 第一臂桿的一端通過柱鉸與空間機器人平臺相連、第一臂桿的另一端通過柱鉸與 臂桿A的一端相連；
[0009] 臂桿A的另一端通過被動圓柱鉸與臂桿B的一端相連；臂桿B的另一端通過柱鉸 與臂桿C的一端相連；
[0010] 臂桿C的另一端通過被動圓柱鉸與臂桿D的一端相連；臂桿D的另一端通過柱鉸 與第四臂桿的一端相連；
[0011] 第四臂桿的另一端通過柱鉸與第五臂桿的一端相連；第五臂桿的另一端通過柱鉸 與第六臂桿的一端相連。
[0012] 一種用于變構型空間機器人的路徑規劃方法，包括步驟如下：
[0013] (1)變構型空間機器人中的任意兩部第六臂桿互相捕獲，形成閉環結構；
[0014] (2)解鎖待改變構型的臂桿中的被動圓柱鉸，使該被動圓柱鉸連接的兩個剛體能 夠發生相對平動和轉動；
[0015] (3)將步驟（1)中的閉環結構等效為開環系統：以步驟（2)中解鎖的被動圓柱鉸 為分界，將整個閉環結構劃分為兩段，一段總自由度數較多，另一段總自由度數較少，兩段 中通過被動圓柱鉸相連的兩臂桿受到被動圓柱鉸的約束；
[0016] (4)根據變構型需求，確定總自由度數較多的端部臂桿，相對于空間機器人平臺的 運動規律；所述端部臂桿為與被動圓柱鉸相連的兩臂桿；
[0017] (5)根據步驟（4)中的總自由度數較多的端部臂桿，相對于空間機器人平臺的運 動規律，求解各個關節角時間序列。
[0018] 步驟⑷中確定總自由度數較多的端部臂桿，相對于空間機器人平臺的運動規律 的具體方式如下：確定總自由度數較少的機械臂的端部臂桿相對于空間機器人平臺保持不 動，然后計算出總自由度數較多的機械臂的端部臂桿，相對于總自由度數較少的機械臂的 端部臂桿的運動規律，最終將總自由度數較多的機械臂的端部臂桿相對于總自由度數較少 的機械臂的端部臂桿的運動規律，通過坐標變換轉化為總自由度數較多的機械臂的端部臂 桿相對于空間機器人平臺的位置Rtip和姿態Dtip的運動規律。
[0019] 步驟（5)中求解各個關節角時間序列的具體實現方式如下：
[0020](5. 1)建立步驟（4)中總自由度數較多的機械臂的端部臂桿與這段中其他各個關 節角間的運動學關系：
[0022] 其中，q表示總自由度數較多的機械臂中各個關節角組成的矩陣j表示各個關節 角速度J(q)表示q的雅克比矩陣；
[0023] (5. 2)確定總自由度數較多的機械臂的奇異度量指標m:
[0027]其中，J+(q)表示雅克比矩陣J(q)的廣義逆；k表示待定向量；I表示單位矩陣，階 數與總自由度數較多的機械臂的自由度數；
[0029] (5. 5)根據步驟（5. 4)得到的k以及步驟（5. 1)的運動學關系，求解各個關節角速 度：
[0032] (5. 6)對步驟（5. 5)得到的各個關節角速度進行積分，得到各個關節角時間序列。
[0033] 本發明與現有技術相比的有益效果為：
[0034] 1.本發明的一種能夠自主變構型的空間機器人，基于被動圓柱鉸設計，增加空間 機器人活動自由度，使其具備變構型的功能，提高了空間機器人在軌操作的能力。
[0035] 2.本發明的一種空間機器人自主變構型的路徑規劃方法，根據空間機器人變構型 階段的特點，利用系統自由度冗余的特性，定義了構型奇異指標，設計使指標持續增大的路 徑規劃算法，能夠避免在機器人重構過程中陷入奇異。
[0036] 3.本發明的一種空間機器人自主變構型的路徑規劃方法，具有普適性，能夠進行 推廣，即該方法不僅適用于變構型空間機器人，而且適用于普通機器人和一般多自由度運 動系統的規劃。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發明機械臂組成示意圖；
[0038] 圖2為本發明被動圓柱鉸示意圖；
[0039] 圖3為本發明變構型空間機器人結構示意圖；
[0040] 圖4為本發明臂桿長度改變時閉環系統示意圖；
[0041] 圖5為本發明臂桿長度改變時等效的開環系統示意圖
[0042] 圖6為本發明臂桿被拉伸后系統的構型示意圖；
[0043] 圖7為本發明機械臂各個轉動關節的相對轉動角速度；
[0044] 圖8為本發明臂桿AlO和臂桿Bll相對轉動和平移示意圖；
[0045] 圖9為本發明奇異度量結果示意圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結合附圖對本發明的結構組成和工作原理做進一步解釋。
[0047] 如圖1、2、3所示，一種自主變構型空間機器人包括：第一剛體1、第二剛體2、被動 圓柱鉸3、空間機器人平臺4、多個機器臂（本實施例中采用3個機械臂，如圖2所示，機械 臂5、機械臂6、機械臂7);其中每個機械臂又包括第一臂桿8、第二臂桿9、第三臂桿12、第 四臂桿15、第五臂桿16和第六臂桿17 ;第二臂桿9又包括臂桿AlO和臂桿B11，第三臂桿 12又包括臂桿C13和臂桿D14 ;
[0048] 第一剛體1、第二剛體2通過被動圓柱鉸3相連第一剛體1和第二剛體2均為圓柱 體。
[0049] 第一臂桿8的一端通過柱鉸與空間機器人平臺4相連、第一臂桿8的另一端通過 柱鉸與臂桿AlO的一端相連；
[0050] 臂桿AlO的另一端通過被動圓柱鉸3與臂桿Bll的一端相連；臂桿Bll的另一端 通過柱鉸與臂桿C13的一端相連；
[0051] 臂桿C13的另一端通過被動圓柱鉸3與臂桿D14的一端相連；臂桿D14的另一端 通過柱鉸與第四臂桿15的一端相連；
[0052] 第四臂桿15的另一端通過柱鉸與第五臂桿16的一端相連；第五臂桿16的另一端 通過柱鉸與第六臂桿17的一端相連。
[0053] 多個機械臂之間可以通過各自的第六臂桿17相互捕獲形成閉環結構。第六臂桿 17的末端帶有作動器。
[0054] 被動圓柱鉸（3)為被動鎖死結構，內部不包含主動施加控制力和力矩的執行機 構，僅存在兩種狀體，被動鎖死和解鎖；當該鉸鏈鎖死時，不允許其連接的兩個剛體發生相 對平動和轉動；反之，能夠相對運動，從而改變這兩個剛體組成的臂桿的長度和相對轉角。 平時操作中，被動圓柱鉸鎖死，機械臂可以完成對目標的捕獲以及機械臂之間相互捕獲形 成閉環結構等操作。當需要改變機械臂構型時，兩部機械臂的末端作動器（末端機械臂） 互相捕獲，形成閉環結構；解鎖某一個被動圓柱鉸，允許其連接的兩個剛體發生相對平動和 轉動，通過在其余關節上施加控制力矩，改變機械臂構型（包括臂桿長度和臂桿間轉角）。
[0055] 一種用于權利要求1所述的變構型空間機器人的路徑規劃方法，包括步驟如下：
[0056] (1)變構型空間機器人中的任意兩部第六臂桿互相捕獲，形成閉環結構；
[0057] (2)解鎖待改變構型的臂桿中的被動圓柱