一种冗余空间机械臂在轨抓捕的轨迹规划方法

摘要

一种冗余空间机械臂在轨抓捕的无碰撞无奇异轨迹规划方法，通过将空间机械臂的抓捕操作分为粗略抓捕段和精细抓捕段，将问题进行了简化。针对不同阶段的突出问题，采用了不同的规划算法。在粗略抓捕段采用基于构型空间的轨迹搜索算法，该算法基于构型空间中的试探；在精细抓捕段采用基于运动学的伪逆算法，通过对目标相对运动的补偿保证最终的精确抓捕。

主权项

一种冗余空间机械臂在轨抓捕的轨迹规划方法；所述冗余空间机械臂安装在空间操控平台上，机械臂末端安装末端作用器；空间操控平台装有视觉测量敏感器和星载计算机；冗余空间机械臂在轨抓捕的对象是空间非合作目标；其特征在于，将空间机械臂的抓捕操作分为粗略抓捕段和精细抓捕段，粗略抓捕段的轨迹规划方法包括如下步骤：(1.1)由粗略抓捕段末端作用器的期望位置和姿态，利用无碰撞目标构型求解算法求得无碰撞的目标构型；无碰撞目标构型求解算法如下：首先根据目标构型求解算法计算目标构型；目标构型求解算法的输入为机械臂当前的各个关节角，以及抓捕目标所需的末端作用器的位置和姿态，目标构型求解算法利用数值积分方法求解机械臂逆运动学方程得到抓捕目标所需的各个关节角，即目标构型；机械臂逆运动学方程为逆运动学方程积分的初始关节角为机械臂当前的各个关节角，积分的末端值为抓捕目标所需的各个关节角；X_E为机械臂末端作用器位置/姿态矢量；为由当前末端作用器的位置和姿态、抓捕目标所需的末端作用器的位置和姿态以及抓捕时间设计的机械臂末端作用器位置/姿态矢量X_E的运动规律，是关于时间的多项式函数；q为机械臂关节角列向量；为机械臂关节角速度列向量；J⁺(q)为雅克比矩阵J的广义逆；然后利用碰撞检测算法判断计算得到的目标构型是否与障碍物相碰，如果与障碍物相碰，则对输入至目标构型求解算法的机械臂当前的关节角进行调整，按照目标构型求解算法重新进行计算，直至得到无碰撞的目标构型；(1.2)根据机械臂当前构型和目标构型，利用无碰撞路径搜索算法，求得无碰撞的构型空间中的路径；(1.3)利用路径优化算法，对无碰撞的构型空间中的路径进行优化获得不与障碍物相碰的机械臂的各个关节角的运动序列；精细抓捕段的轨迹规划方法包括如下步骤：(2.1)利用空间操作平台上的视觉敏感器对目标上抓捕点的位置/姿态进行测量获得期望的抓捕目标的末端作用器的位置/姿态，并与当前末端作用器的位置/姿态做差，然后设计出一条连接期望值和当前值的末端作用器位置/姿态运动轨迹，速度轨迹和加速度轨迹，设计的速度轨迹和加速度轨迹在操作的起点和终点处为0；(2.2)根据视觉测量敏感器测量得到的目标相对运动对所述末端作用器位置/姿态的运动轨迹，速度轨迹和加速度轨迹进行补偿获得补偿后的末端作用器位置/姿态的运动轨迹，速度轨迹和加速度轨迹；(2.3)根据补偿后的末端作用器位置/姿态的运动轨迹，速度轨迹和加速度轨迹采用基于运动学的伪逆算法获得机械臂的各个关节角的角速度轨迹和角加速度轨迹；(2.4)利用机械臂的冗余自由度，采用空转使机械臂远离奇异构型；带空转的机械臂的各个关节角的角速度轨迹为${{\stackrel{.}{q}}_r}^{\prime }={\stackrel{.}{q}}_r\left(t\right)+P_{J}y,$P_J＝(I‑J^T(JJ^T)^‑1J)为雅可比矩阵J的正交投影矩阵；列向量y＝αv；ξ(q)为奇异度量：ξ(q)＝det(JJ^T)；标量参数α选取为：上标“·”代表求导运算；上标“T”代表求转置运算；上标“‑1”代表求逆运算；代表标量ξ对矢量q求梯度。