CN117245653A - 一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法，它涉及一种运动规划方法。本发明为了解决现有轨迹规划算法存在较多缺陷，难以满足实际抓捕需求的问题。本发明由视觉跟踪阶段和直接对接阶段两部分组成，视觉跟踪阶段是根据目标位姿反馈，动态规划机械臂接近至翻滚卫星喷管端面的轨迹，直接对接阶段是规划机械臂沿对接方向的运动速度，在笛卡尔空间下期望轨迹仅有位置变化，无姿态调整，依赖末端执行器头部主动变形适应喷管的姿态变化。本发明属于航空航天领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种运动规划方法，属于航空航天领域。
背景技术
空间轨道上的失效非合作目标日益增多，严重威胁了在轨航天器的安全运行，研究非合作目标捕获技术具有重要意义。基于现有文献，非合作目标捕获方法可分为基于抓持结构的捕获方式和不基于抓持结构的捕获方式。不基于抓持结构的捕获方式多种多样，适用于捕获不同形状的目标，有非接触式捕获和柔性捕获，捕获方法有整体包络的，也有局部作用的，由于该方式不基于抓持机构，被捕获目标容易受到扰动而改变位姿，仅适用于离轨清除任务。基于抓持结构的捕获方式一般指机械臂采用特定的末端执行器抓捕目标，与目标形成稳定的复合体，相比于不基于抓持结构的捕获方式，可开展失效目标接管和高价值目标复用。该捕获方式的抓持结构一般选取目标的固有结构，如：轨控发动机喷管、星箭对接环和帆板支架等。FREND项目配备了3个机械臂，由机器视觉进行服务星与目标的相对位姿测量，多机械臂协同动作可对目标的星箭对接环、分离螺栓进行捕获，是一种三指夹持对接方式；DEOS计划配备了1个轻型机械臂，通过手爪闭合对目标手柄进行捕获；轨控发动机喷管安装在卫星质心的轴线上，采用锥-杆式对接捕获不会产生卫星倾覆力矩，捕获时受力情况更优：SMART-OLEV服务星、MEV服务星采用锥形杆末端执行器对喷管进行捕获，是一种类锥-杆式对接方式：SMART-OLEV服务星根据激光传感器等反馈数据不断调整末端执行器位姿，避免其与喷管内壁碰撞，算法复杂；MEV服务星利用末端执行器与喷管内壁贴合导引至喷管喉部位置，对接算法简单，但伸缩臂只有一个自由度，工作空间不灵活。
基于抓持结构的捕获方式灵活度较高，但如何基于视觉反馈自主规划机械臂运动仍是关键难点。
常用的轨迹规划算法有多项式规划算法、直线加减速规划算法、S型加减速规划算法。多项式规划算法计算简单，阶次越高(一般不超过7次)，曲线越平滑，可保证速度和加加速度曲线的连续性；直线加减速规划算法下，加速度曲线不连续，速度曲线不平滑，机械臂震颤，轨迹精度低；S型加减速规划算法，加速度曲线连续，运动平稳性好，冲击性小。上述规划方式适用于已知轨迹点的离线规划，无法直接应用于基于视觉反馈的动态规划。
发明内容
本发明为解决现有轨迹规划算法存在较多缺陷，难以满足实际抓捕需求的问题，进而提出一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述运动规划方法由视觉跟踪阶段和直接对接阶段两部分组成，视觉跟踪阶段是根据目标位姿反馈，动态规划机械臂接近至翻滚卫星喷管端面的轨迹，直接对接阶段是规划机械臂沿对接方向的运动速度，在笛卡尔空间下期望轨迹仅有位置变化，无姿态调整，依赖末端执行器头部主动变形适应喷管的姿态变化。
进一步的，视觉跟踪阶段采用多项式插值法规划五次多项式插值算法能保障位置、速度和加速度曲线连续，其插值通式及边界约束条件如下：
s(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5
s(0)＝0,s(tf)＝sf
整理得一维的五次多项式插值式：
公式(1)和(2)中，Init(sf)表示初始时刻末端期望轨迹点相对于初始轨迹点的初始偏差值，tf表示规划时长，s(t)-Init(sf)的差值表示为反向规划值，即规划点相对于期望末端轨迹点的偏差；
将此算法拓展到六维，即通过对位置量(Dx,Dy,Dz)和姿态量ZYX欧拉角(Ex,Ey,Ez)进行五次多项式插值，完成视觉跟踪阶段的反向规划。
进一步的，引入机械臂从ti时刻规划点向ti+1时刻规划点动作，获取两个规划点间的位姿变换矩阵矩阵/>通过矩阵/>运算得到；其中，通过相机数据获得目标相对于机械臂末端的坐标变换矩阵/>通过反向规划算法获得规划点相对于目标的坐标变换矩阵最终，由机械臂的正运动学、关节位置反馈qc和逆运动学，得到机械臂末端期望轨迹对应的期望关节角qd。
进一步的，直接对接阶段只需对位置量(Dx)规划，其他位姿量(Dy,Dz,Ex,Ey,Ez)规划值为0，为使加速度曲线是平滑连续的，基于正弦函数分段规划了直线轨迹，算法具体形式为：
公式(4)、(5)、(6)中Amax＝(25πxf)/(8T2)为最大加速度值；xf为总的规划值，即机械臂末端坐标系X轴向的预期进给总长，T为总的规划时长。
进一步的，关节空间轨迹规划的关节参考加速度为：
公式(7)中，e＝qd-qr。
本发明的有益效果是：本发明针对喷管抓捕末端执行器可自主偏摆，对接容差大的特点，建立了机械臂视觉导引与直接对接混合的运动规划方案。提出的基于五次多项式的逆向规划方法，实现了机械臂对动态目标的实时伺服跟踪；基于正弦函数的直线规划方法，实现了末端执行器与翻滚卫星的可靠对接；三阶的关节伺服控制模型生成加加速度级的参考轨迹，消除了轨迹的不连续性对伺服精度的影响。
附图说明
图1是捕获系统组成示意图；
图2是视觉跟踪阶段示意图；
图3是直接对接阶段示意图；
图4是动目标反向规划示意图；
图5是视觉跟踪阶段的规划示意图；
图6是视觉跟踪阶段的笛卡尔规划整体框图；
图7是基于正弦函数的加减速直线规划算法示意图；
图8是关节的规划算法控制框图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法由视觉跟踪阶段和直接对接阶段两部分组成，视觉跟踪阶段是根据目标位姿反馈，动态规划机械臂接近至翻滚卫星喷管端面的轨迹，直接对接阶段是规划机械臂沿对接方向的运动速度，在笛卡尔空间下期望轨迹仅有位置变化，无姿态调整，依赖末端执行器头部主动变形适应喷管的姿态变化；；
具体实施方式二：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法的视觉跟踪阶段采用多项式插值法规划五次多项式插值算法能保障位置、速度和加速度曲线连续，其插值通式及边界约束条件如下：
s(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5
s(0)＝0,s(tf)＝sf
整理得一维的五次多项式插值式：
公式(1)和(2)中，Init(sf)表示初始时刻末端期望轨迹点相对于初始轨迹点的初始偏差值，tf表示规划时长，s(t)-Init(sf)的差值表示为反向规划值，即规划点相对于期望末端轨迹点的偏差；
将此算法拓展到六维，即通过对位置量(Dx,Dy,Dz)和姿态量ZYX欧拉角(Ex,Ey,Ez)进行五次多项式插值，完成视觉跟踪阶段的反向规划。
具体实施方式三：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法的引入机械臂从ti时刻规划点向ti+1时刻规划点动作，获取两个规划点间的位姿变换矩阵矩阵/>通过矩阵/>运算得到；其中，通过相机数据获得目标相对于机械臂末端的坐标变换矩阵/>通过反向规划算法获得规划点相对于目标的坐标变换矩阵/>最终，由机械臂的正运动学、关节位置反馈qc和逆运动学，得到机械臂末端期望轨迹对应的期望关节角qd。
具体实施方式四：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法的直接对接阶段只需对位置量(Dx)规划，其他位姿量(Dy,Dz,Ex,Ey,Ez)规划值为0，为使加速度曲线是平滑连续的，基于正弦函数分段规划了直线轨迹，算法具体形式为：
公式(4)、(5)、(6)中Amax＝(25πxf)/(8T2)为最大加速度值；xf为总的规划值，即机械臂末端坐标系X轴向的预期进给总长，T为总的规划时长。
具体实施方式五：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的伺服控制方法的关节空间轨迹规划的关节参考加速度为：
公式(7)中，e＝qd-qr。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法，其特征在于：所述一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法由视觉跟踪阶段和直接对接阶段两部分组成，视觉跟踪阶段是根据目标位姿反馈，动态规划机械臂接近至翻滚卫星喷管端面的轨迹，直接对接阶段是规划机械臂沿对接方向的运动速度，在笛卡尔空间下期望轨迹仅有位置变化，无姿态调整，依赖末端执行器头部主动变形适应喷管的姿态变化。
2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法，其特征在于：视觉跟踪阶段采用多项式插值法规划五次多项式插值算法能保障位置、速度和加速度曲线连续，其插值通式及边界约束条件如下：
s(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5
s(0)＝0,s(tf)＝sf
整理得一维的五次多项式插值式：
公式(1)和(2)中，Init(sf)表示初始时刻末端期望轨迹点相对于初始轨迹点的初始偏差值，tf表示规划时长，s(t)-Init(sf)的差值表示为反向规划值，即规划点相对于期望末端轨迹点的偏差；
将此算法拓展到六维，即通过对位置量(Dx,Dy,Dz)和姿态量ZYX欧拉角(Ex,Ey,Ez)进行五次多项式插值，完成视觉跟踪阶段的反向规划。
3.根据权利要求2所述的一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法，其特征在于：引入机械臂从ti时刻规划点向ti+1时刻规划点动作，获取两个规划点间的位姿变换矩阵矩阵/>通过矩阵/>运算得到；其中，通过相机数据获得目标相对于机械臂末端的坐标变换矩阵/>通过反向规划算法获得规划点相对于目标的坐标变换矩阵/>最终，由机械臂的正运动学、关节位置反馈qc和逆运动学，得到机械臂末端期望轨迹对应的期望关节角qd。
4.根据权利要求1所述的一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法，其特征在于：直接对接阶段只需对位置量(Dx)规划，其他位姿量(Dy,Dz,Ex,Ey,Ez)规划值为0，为使加速度曲线是平滑连续的，基于正弦函数分段规划了直线轨迹，算法具体形式为：
公式(4)、(5)、(6)中Amax＝(25πxf)/(8T2)为最大加速度值；xf为总的规划值，即机械臂末端坐标系X轴向的预期进给总长，T为总的规划时长。
5.根据权利要求1所述的一种空间机械臂抓捕非合作喷管的运动规划方法，其特征在于：关节空间轨迹规划的关节参考加速度为：
公式(7)中，e＝qd-qr。
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