CN103995476A - 工业机器人模拟空间目标运动的方法 - Google Patents

Abstract

一种工业机器人模拟空间目标运动的方法，包括以下步骤：基于有串联结构的6个可旋转关节的工业机器人的运动学方程，计算工业机器人末端的运动学；如果为平动则利用工业机器人的逆运动学方程，计算得到工业机器人的控制指令并输出，如果为转动则让机器人的第4和第6关节同轴，利用第6关节的转动来模拟目标的转动，机器人的第1、第2和第3关节共同决定转动的轴向，计算得到工业机器人的控制指令并输出，如果为自旋运动则以第6关节的轴线代表自旋轴，利用第6关节模拟转动，第2和第3关节决定腕部中心点的位置高度，第1和第5关节模拟自旋运动轴线的指向，计算得到工业机器人的控制指令并输出。该方法可在地面实现空间目标运动状态的模拟。

Description

工业机器人模拟空间目标运动的方法

技术领域

本发明涉及航天器的在轨服务、目标测量及目标捕获的技术领域，特别是一种工业机器人模拟空间目标运动的方法。

背景技术

所谓的在轨服务，是指在太空中通过人、机器人(或类机器人卫星)或两者协同来完成涉及延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命和能力的空间装配、维修和服务任务。

目前，对空间目标在轨捕获技术的研究已取得一定的成果，包括空间目标的测量和运动预测、捕获前规划、捕获后复合体系统稳定控制等。同时，对目标运动的特性分析及地面模拟方法也开展了部分研究，目前主要模拟的方法包括数字仿真、三轴转台和转台+气浮台。其中，数字仿真方法在系统分析与设计阶段十分重要，具有实现简单、投资少、灵活性高的优点，但某些部分难以用精确的数学模型进行描述，比如实际操作过程中的误差模型就很难精确的建立；在三轴转台方法中虽介入了物理模型，但由于其几何构型和体积方面的约束，不适合直观的演示目标的自主捕获任务，常用于研究目标姿态，模拟自旋轴的姿态运动；转台+气浮台的方式能很好的对自旋目标的位置和姿态进行模拟，在模拟效果上最为真实，但试验系统的建立和试验任务的开展非常复杂，需要投入巨大的成本，不利于前期关键技术的试验验证和典型操作任务的演示。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种工业机器人模拟空间目标运动的方法,可在地面实现空间目标运动状态的模拟。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种工业机器人模拟空间目标运动的方法，所述工业机器人包括串联结构的6个可旋转的关节，6个可旋转的关节分别绕不同的轴旋转,其中每相邻的两个关节的轴线相交于一点，其中第1关节绕S轴旋转，构成腰部，第2关节绕L轴旋转，构成肩部，第3关节绕U轴旋转，构成肘部，第4关节绕R轴旋转，第5关节绕B轴旋转，第6关节绕T轴旋转，第4、第5和第6关节共同构成腕部,所对应的三个轴的轴线交点为腕部中心点，连接每相邻的两个关节之间的部分为连杆；

所述方法包括以下步骤：

(1)利用欧拉动力学方程计算空间目标的运动学并分析其特点；

(2)利用步骤(1)中得到的空间目标运动学特点，分析对其运动进行模拟的需求；

(3)根据步骤(2)的分析结果,选取需要模拟的运动形式和参数；

(4)基于工业机器人的运动学方程，计算工业机器人末端的运动学；

(5)判断在步骤(3)中选取的运动形式，如果为平动则跳至步骤(6)，如果为转动则跳至步骤(7)，如果为自旋运动则跳至步骤(8)；

(6)利用工业机器人的逆运动学方程，计算得到工业机器人的控制指令并输出。

(7)让第4和第6关节同轴，利用第6关节的转动来模拟目标的转动，第1、第2和第3关节共同决定转动的轴向，计算得到工业机器人的控制指令并输出；

(8)以第6关节的轴线代表自旋运动的轴线，利用第6关节模拟转动，第2和第3关节决定腕部中心点的位置高度，第1和第5关节模拟自旋运动轴线的指向，计算得到工业机器人的控制指令并输出。

根据优选的实施例，本发明的技术方案还可能包括以下一些技术特征：

步骤(8)中，将目标质心移到腕部中心位置，使工业机器人处于肩部奇异状态，并以连接第5关节和第6关节的第6连杆为自旋轴，从而工业机器人末端的运动为以腕部中心为顶点的圆锥运动，在空间固定轴的法平面内作画圆的运动，处于肩部奇异状态下的自旋运动仅第1、2、3和5关节参与运动，且自旋轴的位置和姿态模拟完全解耦。

第1至第6关节的关节变量分别为q₁～q₆，步骤(8)中，按照以下方式计算和分析模拟空间目标的自旋运动：

在空间参考坐标系OXYZ中，O为目标质心，o为运动的圆心，以Oo连线为空间固定轴，以连接第5关节和第6关节的第6连杆为自旋轴，长度为L₆，如下式(1)确定q_x和q_Z关于θ的关系：

其中，为章动角，r为圆半径，θ为自旋轴轴在其法平面扫过的角度，θ∈[0360°]，如下式(2)确定q₁，q₅和q_x，q_Z的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_1=q_x+\mathrm{\α}\\ q_5=q_z+\mathrm{\β}-q_2-q_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，α和β为空间固定轴与X轴和OXY平面间的夹角，在任务仿真过程中为常数，q₂和q₃根据腕部中心位置通过余弦定理获得。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明的模拟空间目标运动的方法可以在地面实现空间目标的平动、转动和自旋等多种运动形式的模拟，为在轨服务、目标测量及目标捕获的技术的研究提供更为真实的操作对象。通过在地面实现空间目标运动状态的可靠模拟，本发明的方法可用于在轨服务任务中目标测量、任务规划和控制等算法的有效、准确的地面验证。

在优选的实施例中，本发明的模拟空间目标运动的方法充分利用工业机器人处于肩部奇异时的运动学特点，只需要第1、2、3和5关节参与运动，且自旋轴的位置和姿态模拟完全解耦，相对于常规模拟方法在工程实现上的难度大大降低。

附图说明

图1是本发明实施例中的工业机器人结构示意图；

图2是本发明实施例的模拟空间目标运动的方法的流程图；

图3是本发明实施例中的自旋运动状态示意；

图4是本发明实施例中的工业机器人处于腕部奇异时示意图；

图5是本发明实施例中的自旋运动模拟计算示意图；

图6是实施例中的自旋运动模拟计算得到工业机器人控制指令示意图；

图7是实施例中的自旋运动模拟计算的效果分析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1和图4，根据本发明的实施例，一种串联结构的工业机器人包括6个可以旋转的关节，分别模仿人的腰部、肩部、肘部和手腕的运动。6个可以旋转的关节分别绕不同的轴旋转,其中每相邻的两个关节的轴线相交于一点：第1关节1为绕S轴(S)旋转，相当于人的腰部，其关节变量为q₁；第2关节2为绕L轴(L)旋转，相当于人的肩部，其关节变量为q₂；第3关节3为绕U轴(U)旋转，相当于人的肘部，其关节变量为q₃；第4关节为绕R轴(R)旋转，其关节变量为q₄；第5关节为绕B轴(B)旋转，其关节变量为q₅；第6关节为绕T轴(T)旋转，其关节变量为q₆。第4、第5和第6关节4、5、6共同组成相当于人的腕部的关节组合，所对应的三个轴的轴线交点为腕部中心点。连接相邻两个关节之间的部分为连杆，其中连接第5关节和第6关节的部分称为第6连杆。

如图2所示，工业机器人模拟空间目标运动的方法包含如下步骤：

(1)利用欧拉动力学方程计算空间目标的运动学并分析其特点，例如，计算分析出目标处于自旋运动状态，其运动形式如图3所示，其中，a表示质心，b表示角动量矢量，c表示自旋轴，表示章动角；

(2)利用步骤(1)中得到的空间目标运动学特点，分析对其运动进行模拟的需求，例如，分析出目标运动模拟需求为：质心的位置和姿态模拟和自旋轴指向模拟；

(3)根据步骤(2)的分析结果,选取需要模拟的运动形式和参数,例如，选取自旋运动及相关参数；

(4)基于工业机器人的运动学方程，计算工业机器人末端的运动学。

(5)如果在步骤(3)中选取的运动形式为平动则跳至步骤(6)，为转动则跳至步骤(7)，为自旋运动则跳至步骤(8)；

(6)利用工业机器人的逆运动学方程，计算得到工业机器人的控制指令并输出；

(7)让第4和第6关节同轴，利用第6关节的转动来模拟目标的转动，第1、第2和第3关节共同决定转动的轴向，计算得到工业机器人的控制指令并输出；

(8)以第6关节的轴线代表自旋运动的轴线，利用第6关节模拟转动，第2和第3关节决定腕部中心点的位置高度，第1和第5关节模拟自旋运动轴线的指向，计算得到工业机器人的控制指令并输出。

在一个典型的实施例中，模拟空间目标处于自旋运动状态。

自旋目标的运动可简化为稳定的陀螺运动，即：星体绕某轴旋转(自旋轴)c，同时，此自旋轴绕空间某固定矢量(星体角动量在参考空间的矢量)b旋转，自旋轴与此矢量交与星体质心位置a，其运动示意如图5所示。对自旋目标运动的模拟需求包括三部分：星体质心在惯性坐标系的位置(a点的位置)，星体自旋轴相对于惯性系的姿态(b的指向)以及星体相对于自旋轴c的转动(第6关节的转动)。

优选地，将目标质心移到腕部中心e的位置，使工业机器人处于肩部奇异状态，并以第6连杆为自旋轴。工业机器人处于肩部奇异时的状态如图4所示。此时，控制工业机器人末端(第6连杆的末端)f的运动为以腕部中心e为顶点的圆锥运动，相当于在空间固定轴A的法平面内作画圆的运动，实现此运动只需要第1关节1和第5关节5即可，即采用肩部奇异的自旋运动模拟方法只需要1、2、3和5关节参与运动，且自旋轴的位置和姿态模拟完全解耦。在工业机器人处于肩部奇异时，第1关节1的改变不会影响腕部中心的位置，第2关节2和第3关节3将唯一的决定腕部中心的位置。

在优选实施例中，计算空间目标处于自旋运动状态的示意图参阅图5，其中OXYZ为空间参考坐标系，O为目标质心，o为运动的圆心，以Oo连线为空间固定轴，第6连杆为自旋轴，长度为L₆，如图5所示，q_x和q_Z关于θ的关系如下：

其中，为章动角，r为圆半径，θ为自旋轴轴在其法平面扫过的角度，θ∈[0360°]，q₁，q₅和q_x，q_Z的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_1=q_x+\mathrm{\α}\\ q_5=q_z+\mathrm{\β}-q_2-q_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，α为空间固定轴A在OXY平面的投影线与X轴的夹角，β为空间固定轴A与OXY平面间的夹角，在任务仿真过程中为常数；q₂和q₃由图5根据腕部中心e的位置，通过余弦定理获得。结果如图6和图7所示。

使工业机器人处于肩部奇异状态，将自旋轴姿态和质心位置的模拟完全解耦，且只需要4个关节参与运动，其虽然减少了目标质心位置模拟的自由度，但在目标捕获任务中并不影响模拟效果，同时，这种方式相对于常规模拟方法在工程实现上的难度大大降低，可实现性大大增强。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种工业机器人模拟空间目标运动的方法，其特征在于,

所述工业机器人包括串联结构的6个可旋转的关节，6个可旋转的关节分别绕不同的轴旋转,其中每相邻的两个关节的轴线相交于一点，其中第1关节绕S轴(S)旋转，构成腰部，第2关节绕L轴(L)旋转，构成肩部，第3关节绕U轴(U)旋转，构成肘部，第4关节绕R轴(R)旋转，第5关节绕B轴(B)旋转，第6关节绕T轴(T)旋转，第4、第5和第6关节共同构成腕部,所对应的三个轴的轴线交点为腕部中心点，连接每相邻的两个关节之间的部分为连杆；

所述方法包括以下步骤：

(1)利用欧拉动力学方程计算空间目标的运动学并分析其特点；

(2)利用步骤(1)中得到的空间目标运动学特点，分析对其运动进行模拟的需求；

(3)根据步骤(2)的分析结果,选取需要模拟的运动形式和参数；

(4)基于工业机器人的运动学方程，计算工业机器人末端的运动学；

(5)判断在步骤(3)中选取的运动形式，如果为平动则跳至步骤(6)，如果为转动则跳至步骤(7)，如果为自旋运动则跳至步骤(8)；

(6)利用工业机器人的逆运动学方程，计算得到工业机器人的控制指令并输出。

(7)让第4和第6关节同轴，利用第6关节的转动来模拟目标的转动，第1、第2和第3关节共同决定转动的轴向，计算得到工业机器人的控制指令并输出；

(8)以第6关节的轴线代表自旋运动的轴线，利用第6关节模拟转动，第2和第3关节决定腕部中心点的位置高度，第1和第5关节模拟自旋运动轴线的指向，计算得到工业机器人的控制指令并输出。

2.如权利要求1所述的工业机器人模拟空间目标运动的方法，其特征在于,步骤(8)中，将目标质心移到腕部中心位置，使工业机器人处于肩部奇异状态，并以连接第5关节和第6关节的第6连杆为自旋轴，从而工业机器人末端的运动为以腕部中心为顶点的圆锥运动，在空间固定轴的法平面内作画圆的运动，处于肩部奇异状态下的自旋运动仅第1、2、3和5关节参与运动，且自旋轴的位置和姿态模拟完全解耦。

3.如权利要求1或2所述的工业机器人模拟空间目标运动的方法，其特征在于,第1至第6关节的关节变量分别为q₁～q₆，步骤(8)中，按照以下方式计算和分析模拟空间目标的自旋运动：

在空间参考坐标系OXYZ中，O为目标质心，o为运动的圆心，以Oo连线为空间固定轴，以连接第5关节和第6关节的第6连杆为自旋轴，长度为L₆，如下式(1)确定q_x和q_Z关于θ的关系如：

其中，为章动角，r为圆半径，θ为自旋轴轴在其法平面扫过的角度，θ∈[0 360°]，如下式(2)确定q₁，q₅和q_x，q_Z的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_1=q_x+\mathrm{\α}\\ q_5=q_z+\mathrm{\β}-q_2-q_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，α和β为空间固定轴与X轴和OXY平面间的夹角，在任务仿真过程中为常数，q₂和q₃根据腕部中心位置通过余弦定理获得。