一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法，包括以下步驟：S1：對七自由度空間機械臂進行幾何建模，采用臂角ψ來參數化除肘關節(jié)之外的其余關節(jié)；S2：分析關節(jié)極限對臂角ψ范圍的影響，分析除肘關節(jié)之外其余所有關節(jié)的運動范圍對臂角ψ的影響，確定1個、2個或者3個臂角的可行域并限定算法的搜索空間；S3：分析機械臂的三種奇異：運動學奇異、算法奇異和半奇異，對不符合條件的臂角ψ進行排除；S4：建立空間機械臂的運動學方程的廣義雅可比矩陣；S5：通過優(yōu)化計算得出能夠使空間機械臂載體衛(wèi)星姿態(tài)變動最小的機械臂型位。該方法在保證計算量小的前提下減小基座擾動，并且通過優(yōu)化算法來平衡擾動的大小和計算量。
【專利說明】一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機械臂控制領域，尤其涉及一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法。
【背景技術】
[0002]在太空探索中空間機械臂技術成為各國研究的重點項目之一。隨著研究的深入，七自由度冗余機械臂由于其運動學冗余的特性在避障方面有非常突出的作用，逐漸被各國研究者所重視。目前國內外現有技術方案中在解決空間機械臂基座最小擾動運動規(guī)劃時使用的機械臂均為六自由度或者六自由度以下的機械臂。
[0003]一般的6自由度空間機械臂的運動學控制方法是使用速度級雅可比進行計算，但這樣只能得到唯一一個數值解，并且速度級控制器的精度不如位置級控制器的精度高，而求得其解析解是唯一獲得位置級控制的唯一方法。這樣的方案如國內的哈爾濱工業(yè)大學2008 年發(fā)表的“The Cartesian Path Planning of Free-Floating Space Robot usingParticle Swarm Optimization”等，以及國外東京大學 2003 年發(fā)表的“Engineering TestSatellite VII flight experiments for space robot dynamics and control Theorieson laboratory test beds ten years ago, now in orbit，，等。
[0004]在冗余空間機械臂方面這個問題更具挑戰(zhàn)性，其載體衛(wèi)星的姿態(tài)和位置會受到機械臂運動的影響而發(fā)生變化，并且由于機械臂本身的冗余特性，我們不能得到確切的解，只能得到一個解的集合。比較完善的方法均為地面七自由度機械臂控制方案，如日本東京大學 2008 年發(fā)表的“Analytical Inverse Kinematic Computation for 7-DOF RedundantManipulators With Joint Limits and Its Application to Redundancy Resolution，，，國內哈爾濱工業(yè)大學 2012 年發(fā)表的 “An Analytical Solution for Inverse Kinematicof 7-DOF Redundant Manipulators with Offset-Wrist” 等，但這些方法僅能對地面上七自由度機械臂進行控制，不能對空間機械臂進行控制。

【發(fā)明內容】

[0005]根據現有技術存在的問題，本發(fā)明公開了一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法:一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法，包括以下步驟:
[0006]S1:對七自由度空間機械臂進行幾何建模，采用臂角Ψ來參數化除肘關節(jié)之外的其余關節(jié)；
[0007]S2:分析關節(jié)極限對臂角Ψ范圍的影響，分析除肘關節(jié)之外其余所有關節(jié)的運動范圍對臂角Ψ的影響，確定I個、2個或者3個臂角的可行域并限定算法的搜索空間；
[0008]S3:分析機械臂的三種奇異:運動學奇異、算法奇異和半奇異，對不符合條件的臂角Ψ進行排除；[0009]S4:建立空間機械臂的運動學方程的廣義雅可比矩陣；
[0010]S5:通過優(yōu)化計算得出能夠使空間機械臂載體衛(wèi)星姿態(tài)變動最小的機械臂型位。
[0011]進一步的，步驟S5具體采用如下方式:首先我們采用四元數方程表示衛(wèi)星基座的姿態(tài)，如下所示:
[0012]Q = η + IfJ + qj + q?k ? /； -f- f G i?1
[0013]此時，整個系統(tǒng):包括衛(wèi)星、基座和機械臂的狀態(tài)方程為
【權利要求】
1.一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: S1:對七自由度空間機械臂進行幾何建模，采用臂角Ψ來參數化除肘關節(jié)之外的其余關節(jié); S2:分析關節(jié)極限對臂角V范圍的影響，分析除肘關節(jié)之外其余所有關節(jié)的運動范圍對臂角Ψ的影響，確定I個、2個或者3個臂角的可行域并限定算法的搜索空間； 53:分析機械臂的三種奇異:運動學奇異、算法奇異和半奇異，對不符合條件的臂角Ψ進行排除； 54:建立空間機械臂的運動學方程的廣義雅可比矩陣； 55:通過優(yōu)化計算得出能夠使空間機械臂載體衛(wèi)星姿態(tài)變動最小的機械臂型位。
2.根據權利要求1所述的一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法，其特征還在于:步驟S5具體采用如下方式:首先我們采用四元數方程表示衛(wèi)星基座的姿態(tài)，如下所示:
g = g + f/ + f2J+f3f = g+f el4 此時，整個系統(tǒng):包括衛(wèi)星、基座和機械臂的狀態(tài)方程為
3.根據權利要求1所述的一種七自由度空間機械臂最小基座擾動解析逆運動學求解方法，其特征還在于:對七自由度空間機械臂進行幾何建模時只使用臂角Ψ —個參數來參數化其余關節(jié)。
【文檔編號】G06F19/00GK103955619SQ201410196418
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權日:2014年5月9日
【發(fā)明者】張強, 紀路, 周東生, 魏小鵬 申請人:大連大學