一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法与流程

1.本发明属于空间机器人技术领域，尤其涉及空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法。


背景技术：

2.随着空间技术的发展，搭载机械臂的空间服务飞行器(空间机器人)也逐渐成为在轨维护和服务发展的主流方向。空间机器人可用于抓捕非合作/合作目标，清理空间碎片；具备在轨取放工具，完成多操控任务的能力；同时可装卸载荷，辅助基座与目标的连接，为补加操作奠定基础。由于空间机器人的能力越强，携带的设备愈多，空间布局越紧凑，对机械臂的构型和运动提出了更高的要求。
3.本文提出了一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，可有效减少对视觉测量设备视场的遮挡、推力器羽流干扰、避开可转动附件的运动包络，可预防机械臂与基座、目标间的接触碰撞或干涉，提高了空间机器人任务的安全性。


技术实现要素：

4.本发明针对空间机器人多约束条件下的机械臂构型设计问题，提供一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，通过运动仿真，减少对视觉测量设备视场的遮挡、推力器羽流干扰、避开可转动附件的运动包络，提高空间机器人任务的安全性。
5.为了达到上述目的，本发明公开了以下技术方案予以实现，一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1，建立空间机器人仿真模型和机械臂运动约束条件库，所述空间机器人包括基座1、机械臂2；
7.步骤2，依据抓捕非合作目标的任务约束条件设计机械臂目标位置；
8.步骤3，求机械臂逆解，并选取满足任务约束条件的构型。
9.进一步的是，所述基座1顶部布置有视觉测量设备4、第一推力器31；侧面布置有数传天线6、太阳电池翼5、机械臂2，第二推力器32；所述机械臂2布置在基座1侧面，是由一系列刚体连杆通过转动关节连接起来的，不超过七个自由度，末端配置有手眼相机和工具。
10.进一步的是，所述步骤1中，所述机械臂运动约束条件库包括视觉测量设备的视场、数传天线的运动包络和视场、太阳电池翼的运动包络和推力器的羽流场、非合作目标抓捕位置。
11.进一步的是，所述步骤1中，所述空间机器人仿真模型包括空间机器人几何模型、机械臂运动模型、视觉测量设备模型、数传天线视场模型、太阳电池翼运动包络模型、推力器羽流场模型。
12.进一步的是，所述机械臂运动模型包含机械臂求逆解模型和机械臂几何模型。
13.进一步的是，空间机器人仿真模型均在空间机器人参考坐标系o
f-xfyfzf下表示：
14.所述视觉测量设备模型为：视觉测量设备参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fs
，视
场角θ，视场四个角点相对视觉测量设备参考点坐标为(x
0i y
0i 0)(i＝1,2,3,4)，z方向为视场方向，视场截面为长方形，则距离参考点zi处视场截面四个点可表示：
15.z＝zi[0016][0017][0018]
令p＝[x
i y
i zi]
t
，e为3
×
3的矩阵，则角点相对视觉测量设备参考点坐标系变换矩阵为角点相对空间机器人参考点坐标系的变换矩阵为t
fs
＝t
fs
t
si
；
[0019]
所述太阳电池翼运动包络模型为：太阳电池翼参考点相对参考坐标系变换矩阵t
ft
，太阳电池翼y方向为转轴方向，旋转半径为r，y方向长度为l，旋转轴上点在太阳电池翼参考坐标系下p
t
＝[0 y
t 0]
t
(0≤y
t
≤l)，旋转轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fc
＝t
ft
t
tc
；
[0020]
所述数传天线视场模型为：数传天线参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fc
，万向节的转轴θ1,θ2，视场参考点相对数传天线参考点坐标系变换矩阵t
cc
＝rotx(θ1)
·
roty(θ2)，视场为圆柱面，半径为r1，在视场参考点坐标系下数传天线视场模型可表示旋转轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fc
＝t
fc
t
cc
t
cp
；
[0021]
推力器羽流场模型为圆锥模型，推力器参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fy
，羽流角α，z为推力器的羽流方向，羽流场方程在推力器参考点坐标系下可表示成推力器中心轴上点在推力器参考点坐标系下中心轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fy
＝t
fy
t
yy
。
[0022]
进一步的是，所述步骤2中，所述任务约束条件是：抓捕前机械臂及工具不与太阳电池翼和数传天线运动包络干涉，不进入视觉测量设备和数传天线的视场和推力器羽流场；准备抓捕时，非合作目标的待抓捕部位即在机械臂末端手眼相机视场范围内和工具抓捕前方δl位置，并尽可能少遮挡视觉测量设备的视场，所述非合作目标的抓捕对象为圆环，半径为r2，圆环距离空间机器人参考坐标系l2，所述机械臂目标位置t
mb
描述为目标位置相对机械臂安装坐标系的位置和姿态，通过目标位置相对空间机器人参考坐标系t
fb
、机械臂安装坐标系相对空间机器人参考坐标系t
fm
换算获得。
[0023]
进一步的是，所述步骤2中，依据任务约束条件设计机械臂目标位置，其中，
[0024]
抓捕前：
[0025]
目标位置相对视觉测量设备参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
sb
＝(t
fs
)-1
t
fb
，不满
足方程：即满足约束条件；式中t
sb
(i,j)表示矩阵t
sb
第i行第j列数据，
[0026]
目标位置相对太阳电池翼参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
tb
＝(t
ft
)-1
t
fb
，满足约束条件：t
tb
(1,4)2+t
tb
(3,4)2＞t
tb
(2,4)2,0≤t
tb
(2,4)≤l；
[0027]
目标位置相对数传天线参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
cb
＝(t
fc
t
cc
)-1
t
fb
，满足约束条件：t
cb
(1,4)2+t
cb
(3,4)2＞t
cb
(2,4)2；
[0028]
目标位置相对推力器参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
yb
＝(t
fy
)-1
t
fb
，满足约束条件：
[0029]
准备抓捕时，目标位置满足约束条件
[0030]
进一步的是，所述步骤3中，根据目标位置相对机械臂安装坐标系的位置和姿态求机械臂逆解，并选取满足约束条件的构型，最后将机械臂关节角度导入空间机器几何模型进行验证，确定机械臂的构型。
[0031]
进一步的是，所述步骤3中，所述满足约束条件的构型表示机械臂的结构在抓捕前不遮挡视觉测量设备和数传设备的视场、太阳电池翼的运动包络和不进入推力器羽流场，抓捕时待抓捕位置在视觉范围内。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033]
本发明通过机械臂在轨构型设计，避免了机械臂与基座、目标间的接触碰撞或干涉，保证多约束条件下空间机器人执行任务的安全。
[0034]
本发明针对空间机器人执行复杂任务下机械臂构型设计问题，提出了一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，通过运动仿真，减少对视觉测量设备视场的遮挡、推力器羽流干扰、避开可转动附件的运动包络，提高空间机器人任务的安全性。该方法具有成本低、方便，仿真效果逼真的特点，通过多学科联合仿真，可广泛应用于空间任务(取放工具或载荷、检视、操作和维修目标、停靠载荷等任务)中的机械臂构型设计，同时推广到地面试验设计。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例中空间机器人示意图。
[0036]
图2是本发明空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法实施例的流程图。
[0037]
图3是本发明实施例中抓捕非合作目标任务中相对位置关系。
[0038]
图4是本发明实施例中抓捕非合作目标任务中抓捕前的机械臂构型。
[0039]
图5是本发明实施例中抓捕非合作目标任务中抓捕准备的机械臂构型。
具体实施方式
[0040]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按
照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
[0041]
为了更加清晰的阐述本发明的技术方案，以下通过实施例对本发明的技术方案进行说明。本发明针对空间机器人执行复杂任务下机械臂构型设计问题，提出了一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，通过运动仿真，减少对视觉测量设备视场的遮挡、推力器羽流干扰、避开可转动附件的运动包络，提高空间机器人任务的安全性。
[0042]
图1是本发明实施例中空间机器人示意图。本实施例中，参照图1，空间机器人由基座1和两套七自由度机械臂2组成，完成抓捕非合作目标任务下的机械臂构型设计。
[0043]
图2是本发明空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法实施例的流程图。参照图2，本发明的一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，包括以下步骤：
[0044]
步骤1，建立空间机器人仿真模型和机械臂运动约束条件库；
[0045]
步骤2，依据任务约束条件设计机械臂目标位置；
[0046]
步骤3，求机械臂逆解，并选取满足任务约束条件的构型。
[0047]
步骤1中，参照图1，空间机器人由基座1、机械臂2、末端工具组成；其中，所述基座1顶部(+x面)布置视觉测量设备4(包括1套近程光电、1套激光成像雷达和3套双目相机)、工具、第一推力器31；侧面(
±
z面)布置数传天线6、机械臂2，第二推力器32；基座侧面(
±
y面)布置太阳电池翼5。所述机械臂2布置在基座侧面，由一系列刚体(连杆)通过转动关节连接起来的，一般不超过七个自由度，末端配置手眼相机和工具。
[0048]
步骤1中，机械臂运动约束条件库包括视觉测量设备的视场、数传天线的运动包络和视场、太阳电池翼的运动包络和推力器的羽流场、非合作目标抓捕位置等。
[0049]
步骤1中，机械臂空间机器人仿真模型包括空间机器人几何模型、机械臂运动模型、视觉测量设备和数传天线视场模型、太阳电池翼运动包络模型、推力器羽流场模型。
[0050]
上述机械臂运动模型包含机械臂求逆解模型和机械臂几何模型。
[0051]
上述空间机器人几何模型有数学模型和可视化模型两种表达方式。
[0052]
空间机器人仿真模型均在空间机器人参考坐标系o
f-xfyfzf下表示：
[0053]
视觉测量设备参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fs
，视场角θ，视场四个角点相对视觉测量设备参考点坐标为(x
0i y
0i 0)(i＝1,2,3,4)，z方向为视场方向，视场截面为长方形，则距离参考点zi处视场截面四个点可表示：
[0054]
z＝zi[0055][0056][0057]
令p＝[x
i y
i zi]
t
，e为3
×
3的矩阵，则角点相对视觉测量设备参考点坐标系变换矩阵为角点相对空间机器人参考点坐标系的变换矩阵为t
fs
＝t
fs
t
si
。
[0058]
太阳电池翼参考点相对参考坐标系变换矩阵t
ft
，太阳电池翼y方向为转轴方向，旋转半径为r，y方向长度为l，旋转轴上点在太阳电池翼参考坐标系下
旋转轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fc
＝t
ft
t
tc
。
[0059]
数传天线参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fc
，万向节的转轴θ1,θ2，视场参考点相对数传天线参考点坐标系变换矩阵t
cc
＝rotx(θ1)
·
roty(θ2)，视场为圆柱面，半径为r1，在视场参考点坐标系下数传天线视场模型可表示p
p
＝[0 y
p 0]
t
，旋转轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fc
＝t
fc
t
cc
t
cp
。
[0060]
推力器羽流场模型为圆锥模型，推力器参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fy
，羽流角α，z为推力器的羽流方向，羽流场方程在推力器参考点坐标系下可表示成推力器中心轴上点在推力器参考点坐标系下中心轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fy
＝t
fy
t
yy
。
[0061]
步骤2中，所述抓捕非合作目标的任务约束条件是：抓捕前机械臂及工具不与太阳电池翼和数传天线运动包络干涉，不进入视觉测量设备和数传天线的视场和推力器羽流场；准备抓捕时，目标的待抓捕部位即在机械臂末端手眼相机视场范围内和工具抓捕前方δl位置，并尽可能少遮挡视觉测量设备的视场。
[0062]
上述目标的待抓捕部位为圆环，半径为r2，圆环距离空间机器人参考坐标系l2。
[0063]
上述机械臂目标位置t
mb
描述为目标位置相对机械臂安装坐标系的位置和姿态，通过目标位置相对空间机器人参考坐标系t
fb
、机械臂安装坐标系相对空间机器人参考坐标系t
fm
换算获得。
[0064]
步骤2中，依据任务约束条件设计机械臂目标位置，其中，
[0065]
抓捕前：
[0066]
目标位置相对视觉测量设备参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
sb
＝(t
fs
)-1
t
fb
，不满足方程：即满足约束条件；式中t
sb
(i,j)表示矩阵t
sb
第i行第j列数据。
[0067]
目标位置相对太阳电池翼参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
tb
＝(t
ft
)-1
t
fb
，满足约束条件：t
tb
(1,4)2+t
tb
(3,4)2＞t
tb
(2,4)2,0≤t
tb
(2,4)≤l；
[0068]
目标位置相对数传天线参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
cb
＝(t
fc
t
cc
)-1
t
fb
，满足约束条件：t
cb
(1,4)2+t
cb
(3,4)2＞t
cb
(2,4)2；
[0069]
目标位置相对推力器参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
yb
＝(t
fy
)-1
t
fb
，满足约束条件：
[0070]
准备抓捕时，目标位置满足约束条件
[0071]
图3是本发明实施例中抓捕非合作目标任务中相对位置关系。参照图3，为所述抓捕非合作目标任务过程，抓捕前和抓捕准备过程中，目标位置与参考坐标系、机械臂安装坐标系间的示意图。空间机器人参考坐标系51、机械臂安装位置一10、机械臂安装位置二20、机械臂抓捕前目标位置11、机械臂抓捕前目标位置21、机械臂抓捕准备位置12和机械臂抓捕准备位置22如图3所示。抓捕准备时，目标距离抓捕前端即非合作目标30的距离为δl，数传天线运动包络52、视觉测量设备视场包络53如图3所示。
[0072]
步骤3中，根据目标位置相对机械臂安装坐标系的位置和姿态求机械臂逆解，并选取满足约束条件的构型，最后将机械臂关节角度导入空间机器几何模型进行验证，确定机械臂的构型。上述满足约束条件的构型表示满足步骤2中的约束条件，即满足机械臂(包括臂杆及其工具)的结构在抓捕前不遮挡视觉测量设备和数传设备的视场、太阳电池翼的运动包络和不进入推力器羽流场，抓捕时待抓捕位置在视觉范围内。
[0073]
图4是本发明实施例中抓捕非合作目标任务中抓捕前的机械臂构型。图5是本发明实施例中抓捕非合作目标任务中抓捕准备的机械臂构型。本实例针对抓捕非合作目标任务，抓捕前机械臂构型设计结果参照图4，所述抓捕前机械臂一构型60，抓捕前机械臂二构型61、推力器羽流场54如图4所示。准备抓捕时机械臂构型设计结果参照图5，所述准备抓捕时机械臂一构型63，准备抓捕时机械臂二构型64如图5所示。。
[0074]
上述仅为本发明的具体实施例，该实施例只为更清楚的说明本发明所用，而并非对本发明的限定，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在保护范围内。

技术特征：
1.一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立空间机器人仿真模型和机械臂运动约束条件库，所述空间机器人包括基座(1)、机械臂(2)；步骤2，依据抓捕非合作目标的任务约束条件设计机械臂目标位置；步骤3，求机械臂逆解，并选取满足任务约束条件的构型。2.根据权利要求1所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，所述基座(1)顶部布置有视觉测量设备(4)、第一推力器(31)；侧面布置有数传天线(6)、太阳电池翼(5)、机械臂(2)，第二推力器(32)；所述机械臂(2)布置在基座(1)侧面，是由一系列刚体连杆通过转动关节连接起来的，不超过七个自由度，末端配置有手眼相机和工具。3.根据权利要求1所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，所述步骤1中，所述机械臂运动约束条件库包括视觉测量设备的视场、数传天线的运动包络和视场、太阳电池翼的运动包络和推力器的羽流场、非合作目标抓捕位置。4.根据权利要求1或3所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，所述步骤1中，所述空间机器人仿真模型包括空间机器人几何模型、机械臂运动模型、视觉测量设备模型、数传天线视场模型、太阳电池翼运动包络模型、推力器羽流场模型。5.根据权利要求4所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，所述机械臂运动模型包含机械臂求逆解模型和机械臂几何模型。6.根据权利要求4所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，空间机器人仿真模型均在空间机器人参考坐标系o
f-x
f
y
f
z
f
下表示：所述视觉测量设备模型为：视觉测量设备参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fs
，视场角θ，视场四个角点相对视觉测量设备参考点坐标为(x
0i y
0i 0)(i＝1,2,3,4)，z方向为视场方向，视场截面为长方形，则距离参考点z
i
处视场截面四个点可表示：z＝z
ii
令p＝[x
i y
i z
i
]
t
，e为3
×
3的矩阵，则角点相对视觉测量设备参考点坐标系变换矩阵为角点相对空间机器人参考点坐标系的变换矩阵为t
fs
＝t
fs
t
si
；所述太阳电池翼运动包络模型为：太阳电池翼参考点相对参考坐标系变换矩阵t
ft
，太阳电池翼y方向为转轴方向，旋转半径为r，y方向长度为l，旋转轴上点在太阳电池翼参考坐标系下p
t
＝[0 y
t 0]
t
(0≤y
t
≤l)，旋转轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fc
＝t
ft
t
tc
；所述数传天线视场模型为：数传天线参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fc
，万向节的转轴θ1,θ2，视场参考点相对数传天线参考点坐标系变换矩阵t
cc
＝rotx(θ1)
·
roty(θ2)，视场为圆柱面，半径为r1，在视场参考点坐标系下数传天线视场模型可表示p
p
＝[0 y
p 0]
t
，
旋转轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fc
＝t
fc
t
cc
t
cp
；推力器羽流场模型为圆锥模型，推力器参考点相对参考坐标系变换矩阵t
fy
，羽流角α，z为推力器的羽流方向，羽流场方程在推力器参考点坐标系下可表示成推力器中心轴上点在推力器参考点坐标系下p
y
＝[0 0 z
y
]
t
，中心轴上点相对空间机器人参考坐标系变换矩阵为t
fy
＝t
fy
t
yy
。7.根据权利要求2所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，所述步骤2中，所述任务约束条件是：抓捕前机械臂及工具不与太阳电池翼和数传天线运动包络干涉，不进入视觉测量设备和数传天线的视场和推力器羽流场；准备抓捕时，非合作目标的待抓捕部位即在机械臂末端手眼相机视场范围内和工具抓捕前方δl位置，并尽可能少遮挡视觉测量设备的视场，所述非合作目标的抓捕对象为圆环，半径为r2，圆环距离空间机器人参考坐标系l2，所述机械臂目标位置t
mb
描述为目标位置相对机械臂安装坐标系的位置和姿态，通过目标位置相对空间机器人参考坐标系t
fb
、机械臂安装坐标系相对空间机器人参考坐标系t
fm
换算获得。8.根据权利要求7所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，所述步骤2中，依据任务约束条件设计机械臂目标位置，其中，抓捕前：目标位置相对视觉测量设备参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
sb
＝(t
fs
)-1
t
fb
，不满足方程：即满足约束条件；式中t
sb
(i,j)表示矩阵t
sb
第i行第j列数据，目标位置相对太阳电池翼参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
tb
＝(t
ft
)-1
t
fb
，满足约束条件：t
tb
(1,4)2+t
tb
(3,4)2＞t
tb
(2,4)2,0≤t
tb
(2,4)≤l；目标位置相对数传天线参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
cb
＝(t
fc
t
cc
)-1
t
fb
，满足约束条件：t
cb
(1,4)2+t
cb
(3,4)2＞t
cb
(2,4)2；目标位置相对推力器参考点坐标系的旋转矩阵表示为t
yb
＝(t
fy
)-1
t
fb
，满足约束条件：准备抓捕时，目标位置满足约束条件9.根据权利要求1所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，所述步骤3中，根据目标位置相对机械臂安装坐标系的位置和姿态求机械臂逆解，并选取满足约束条件的构型，最后将机械臂关节角度导入空间机器几何模型进行验证，确定机械臂的构型。10.根据权利要求1所述的空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，所
述步骤3中，所述满足约束条件的构型表示机械臂的结构在抓捕前不遮挡视觉测量设备和数传设备的视场、太阳电池翼的运动包络和不进入推力器羽流场，抓捕时待抓捕位置在视觉范围内。

技术总结
一种空间机械臂抓捕非合作目标构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立空间机器人仿真模型和机械臂运动约束条件库，所述空间机器人包括基座(1)、机械臂(2)；步骤2，依据抓捕非合作目标的任务约束条件设计机械臂目标位置；步骤3，求机械臂逆解，并选取满足任务约束条件的构型。本发明通过机械臂在轨构型设计，避免了机械臂与基座、目标间的接触碰撞或干涉，保证多约束条件下空间机器人执行任务的安全。务的安全。务的安全。


技术研发人员：陈欢龙 王碧 肖余之 靳永强 李宁 沈涛 赵真 花俊
受保护的技术使用者：上海宇航系统工程研究所
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/10/11