一種引入撓性附件振動量的空間機器人關節軌跡規劃方法
2023-06-10 23:07:26 4
一種引入撓性附件振動量的空間機器人關節軌跡規劃方法
【專利摘要】本發明提出了一種引入撓性附件振動量的空間機器人關節軌跡規劃方法，包括以下步驟：(1)建立具有撓性附件的空間機器人動力學方程；(2)推導空間機器人撓性附件振動與關節運動之間的關係式；(3)採用基函數疊加法規劃空間機器人關節角加速度，其中，基函數的係數和幅值作為關節角加速度的待定參數；(4)採用粒子群算法獲得待定參數的最優值，即得到使撓性附件振動最小的空間機器人關節最優軌跡。根據本發明的方法，能夠實現撓性附件振動抑制的空間機器人關節軌跡。
【專利說明】一種引入撓性附件振動量的空間機器人關節軌跡規劃方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於機器人【技術領域】，特別是一種引入撓性附件振動量的空間機器人關節軌跡規劃方法。
【背景技術】
[0002]隨著航天技術的不斷發展，以空間機器人為手段，衛星維修及太空垃圾清除為目的的在軌服務技術越來越受到重視。空間機器人一般由衛星基座和安裝在該基座上的機械臂組成，衛星基座常附帶有太陽帆板等撓性附件。當空間機器人處於自由漂浮狀態時，由於機械臂與基座之間存在著動力學耦合，因此機械臂執行在軌操作任務時，空間機器人基座會產生運動，並導致撓性附件的振動。以往的空間機器人關節規劃研究往往考慮消耗能量最小，對基座擾動最小等，但還沒有考慮過空間機器人關節軌跡規劃對基座撓性附件的振動的影響。由於撓性附件的振動會對機械臂末端定位產生影響，導致抓捕等任務的失敗。因此研究通過優化空間機器人關節軌跡來實現基座撓性附件的振動抑制是非常必要的。
[0003]粒子群算法具有以下優點:(I)算法規則簡單，容易實現，在工程應用中比較廣；
(2)收斂速度快，且有很多措施可以避免陷入局部最優；(3)可調參數少，並且對於參數的選擇已經有成熟的理論研究成果。因此採用粒子群算法對空間機器人關節軌跡進行優化來實現撓性附件的振動抑制具有簡單、高效、可靠等優點。
【發明內容】
[0004]為避免安裝於衛星基座上的撓性附件的振動影響機械臂末端準確定位問題，本發明提供一種引入撓性附件振動量來獲取空間機器人關節的最優軌跡的方法。其軌跡規劃中考慮了撓性附件的振動因素，通過粒子群算法實現空間機器人關節軌跡最優，同時又能抑制撓性附件的振動。
[0005]本發明引入撓性附件振動量的空間機器人關節軌跡規劃方法適用於空間機器人系統，該系統包括衛星基座、附設於衛星基座上的撓性附件(如太陽帆板等)以及安裝在衛星基座上的機械臂。
[0006]該方法包括以下步驟:
[0007]S1、利用拉格朗日方法建立附帶撓性附件的空間機器人的動力學方程⑴:
[0008]
【權利要求】
1.一種引入撓性附件振動量的空間機器人關節軌跡規劃方法，包括以下步驟: s1、利用拉格朗日方法建立具有撓性附件的空間機器人動力學方程(1)，
其中，M為質量矩陣,
;C(分為科式力和向心力項，c = [C1.KaKa maa.'O OO -C2 c3]T;K為剛度矩陣
τ為力向量，τ = [O τ 0 0]T;q為系統廣義坐.0 O K如-標，q=[xb Θ a]T，Xb代表基座狀態變量，Θ代表機械臂關節狀態變量，a代表撓性附件的振動變量； s2、根據步驟SI中建立的動力學方程(I)推導出空間機器人的各關節狀態變量與撓性附件彈性坐標之間的關係式(2):
s3、採用基函數疊加法規劃機械臂各關節的關節角加速度#運動軌跡，然後將規劃出的關節角加速度》進行積分得關節角速度和關節角度；其中，基函數的係數和幅值作為關節角加速度函數的待定參數(即優化參數)； s4、定義適應度函數(11):
其中，kwk、k0i為加權係數,使不同量綱的物理量經過加權後能進行疊加；11表示空間機器人系統關節的個數，N表示空間機器人系統撓性附件的個數；tf為關節軌跡規劃時間；Wkmax為撓性附件k的末端最大振動位移,定義為
，式中M表示撓性體離散振型的階數；
、?=1 )
e0i (tf, λ )為關節 i 的關節角誤差,定義為 e0i(tf, λ ) = I Θ j (tf, λ ) - θ if I (i = 1，…，η)，式中，θ i(tf，λ)為關節i的規劃終止關節角，Θ if為關節i的期望終止關節角； s5、對適應度函數(11)進行如下全局優化: S5.1、初始化粒子群，為粒子群中每個粒子隨機賦予初始位置和初始速度； S5.2、計算每個粒子對應的關節軌跡變量，並根據步驟S2的關係式(2)計算撓性附件的彈性變量和基座狀態變量，並根據適應度函數(11)計算種群中每個粒子的適應度函數；S5.3、確定當前代k種群中每個粒子的個體歷史最優位置Pi (k)，i = 1，...，N和種群迄今為止所經歷的最優位置Pg(k)，其中N為種群的粒子數； S5.4、更新每個粒子的位置和速度； S5.5、檢驗終止條件，如果當前的進化次數達到最大迭代次數或優化結果達到預設誤差，則尋優結束，輸出最優解和最優值，否則返回S5.2繼續。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟SI中所述空間機器人包括衛星基座、附連在剛性衛星基座上的撓性附件和安裝在衛星基座上的機械臂。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟S3中基函數表達式(3)如下，
基函數的定義域為(0，T)，值域為(0，I)，令C = T2-T1, C代表基函數不變段範圍(即幅值)的大小； 基函數疊加公式(4)如下:
式中，S1U)的定義域為(0，T)，ski(t)的定義域為(Tkil，Tki2)，且滿足Tki2-Tkil = T/k(k為大於O的整數)，第k組k個函數之間需要沒有重疊，bki為其第k階第i個子函數的疊加係數；c和bki為基函數的待定係數，由c和bki組成的待定係數向量記為λ ;當λ確定以後，關節角加速度曲線即確定。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，按照式基函數表達式(3)和基函數疊加公式(4)規劃的空間機器人的3個關節角加速度函數表達式如下:
其中，^(0、4(,)、4^)為關節1、關節2和關節3的規劃角加速度；bn、b121、b122、cn、c12為關節I角加速度函數的待定參數；b21、b221、b222、C21iC22為關節2角加速度函數的待定參數山31、15321、13322、(331、(332為關節3角加速度函數的待定參數；由式(4)、(5)、(6)三個關節角加速度函數的待定參數組成的待定係數向量λ如下式:
入—[t>n，b121，b122，C11, C12J b21，b211，b222，C21? C22? b31，b321，b322，c31，c32] G R (7)。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟S5.4中按如下公式對種群的速度、位置進行更新:
Vi (k+Ι) = ω Vi (k)+P1Ir1 (Pi (k)-Xi (k))+P2r2 (pg (k)-Xi (k))⑶ Xi(k+1) = x^^+v^k+l) (9) 其中，w為慣性權重因子，Vi (k)為第k代種群中第i個粒子的速度，Xi (k)為第k代種群中第i個粒子的位置，Pi為種群中第i個粒子的個體歷史最優位置，Pg為種群的全局最優值，I^r2為[0，I]之間的隨機數P1和P2為加速度因子。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟S5.4中所述加速度因子P1 = 2.0，p2=1.0。
【文檔編號】G05B13/04GK104199297SQ201410404868
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】王學謙, 孟得山, 劉厚德, 梁斌, 徐文福 申請人:清華大學深圳研究生院