一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法技术

一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，包括以下步骤：获取机械臂运动学参数和动力学参数；获取重力补偿系统吊挂工装的安装参数与质量参数；推导重力环境和重力补偿系统作用下，机械臂在任意臂型时各旋转关节所受力矩的数学模型；选取若干机械臂典型任务构型；根据机械臂关节力矩数学模型和机械臂典型任务构型，设计目标函数，采用数学优化方法，确定重力补偿系统的最优吊挂力。确定重力补偿系统的最优吊挂力。确定重力补偿系统的最优吊挂力。

【技术实现步骤摘要】
一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法


[0001]本专利技术涉及一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，属于空间机械臂


技术介绍

[0002]地面试验重力补偿系统是空间机械臂关键技术之一。如果空间机械臂直接在地面试验，各杆件重力会导致机械臂无法正常工作。在地面进行空间机械臂功能测试时，需要通过重力补偿系统建立地面微重力实验环境，以便对空间机械臂系统的功能和可行性进行验证。重力补偿的目的是要在地面上模拟空间的微重力环境，以实现对空间机械臂的控制，进行太空环境中的模拟。
[0003]开展空间机械臂地面试验，在设置重力补偿系统的吊挂力参数时，需要有效的设计方法作为指导，否则，过大或过小的吊挂力会给机械臂旋转关节处带来较大弯矩与扭矩，影响机械臂旋转关节正常运动，甚至对旋转关节造成一定的破坏。
[0004]经检索，有关空间机械臂地面试验重力补偿系统的资料中，以重力平衡装置、随动吊挂装置等硬件实现为主，而未查见有关地面试验重力补偿系统的平衡力或吊挂力的设计方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，缺少有关地面试验重力补偿系统的平衡力或吊挂力设计方法的问题，提出了一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法。
[0006]本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0007]一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，包括：
[0008]确定机械臂结构的运动学参数及动力学参数；
[0009]确定重力补偿系统吊挂工装的安装参数与质量参数；
[0010]考虑重力环境，推导机械臂关节力矩数学模型，用于计算任意一组吊挂力作用下，机械臂在任意臂型时各旋转关节所受力矩；
[0011]确定机械臂典型任务构型，基于所得机械臂关节力矩数学模型，计算得到任意一组吊挂力作用下，典型任务构型的机械臂关节力矩矩阵；
[0012]以典型任务构型的机械臂关节力矩矩阵作为输入，设计目标函数，通过枚举法离散优化后，计算得到重力补偿系统的最优吊挂力。
[0013]所述机械臂结构设置于外部基座上，基座设置于模拟墙或气浮平台上。
[0014]所述机械臂运动学参数为DH坐标，所述机械臂动力学参数为机械臂各连杆的质量及质心位置。
[0015]推导数学模型的具体步骤如下：
[0016]根据机械臂结构的运动学参数及动力学参数，计算机械臂各连杆的重力对机械臂
在任意臂型时各旋转关节的作用力矩；
[0017]根据重力补偿系统吊挂工装的安装参数与质量参数，计算各吊挂工装的重力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作用力矩；
[0018]根据重力补偿系统吊挂工装的安装参数和吊挂力参数，计算各吊挂力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作用力矩；
[0019]将计算所得所有作用力矩叠加，确定重力环境和重力补偿系统作用下，机械臂关节力矩数学模型。
[0020]计算机械臂各连杆的重力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作用力矩具体步骤为：
[0021]对于自由度为n的串联机械臂，包括n+1个连杆，具体依次为连杆0、连杆1、
…
、连杆n，通过DH坐标表示相邻连杆坐标系{i}与{i
‑
1}之间的位姿关系为：
[0022][0023]cθ
i
＝cos(θ
i
),sθ
i
＝sin(θ
i
),cα
i
＝cos(α
i
),sα
i
＝sin(α
i
)
[0024]式中，
i
‑1T
i
为相邻连杆坐标系{i}与{i
‑
1}之间的齐次变换矩阵，a
i
、d
i
、α
i
和θ
i
为连杆i的改进DH坐标；
[0025]对于任意齐次变换矩阵T，包含的姿态变换矩阵R和位置矢量p具体为：
[0026]R＝T(1:3,1:3),p＝T(1:3,4)
[0027]当T描述的两个坐标系方向一致时，R＝I3×3，I3×3表示3
×
3的单位矩阵；
[0028]对于机械臂任意臂型θ，通过DH坐标的关节变量θ
i
表示为：
[0029]θ＝[θ
1 θ2…
θ
i
…
θ
n
][0030]计算连杆坐标系{i}相对于基座坐标系{0}的齐次变换矩阵为：
[0031][0032]根据实际需要定义全局坐标系{A}的方向，并确定基座坐标系{0}相对于全局坐标系{A}的姿态变换矩阵为
A
R0；
[0033]当重力方向沿全局坐标系{A}的
‑
Y轴方向时，确定全局坐标系下的重力加速度矢量为
[0034]确定连杆i在全局坐标系{A}中的重力矢量为：
[0035][0036]其中，m
i
为连杆i的质量；
[0037]确定连杆i的质心坐标系{icm}相对于连杆坐标系{i}的齐次变换矩阵为：
[0038][0039]其中，
i
d
icm
为连杆i的质心坐标系{icm}相对于连杆坐标系{i}的位置矢量；
[0040]计算连杆i的质心坐标系{icm}相对于基座坐标系{0}的齐次变换矩阵为：
[0041][0042]计算连杆i质心坐标系{icm}相对于连杆坐标系{j}的齐次变换矩阵为：
[0043][0044]确定连杆i的重力矢量转换到基座坐标系{0}中的表达方式为：
[0045][0046]确定连杆i的重力矢量转换到连杆坐标系{j}中的表达方式为：
[0047][0048]将旋转关节j表示为连杆坐标系{j}，确定连杆i质心坐标系{icm}处的重力对旋转关节j的作用力矩为：
[0049][0050][0051]定义一个计算因子为：
[0052][0053]对于任意臂型θ，确定机械臂各连杆的重力对旋转关节j的作用力矩为：
[0054][0055]计算各吊挂工装的重力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作用力矩的具体步骤为：
[0056]确定吊挂工装数量为q，吊挂工装k与连杆i连接，将q个吊挂工装连接的连杆编号序列记为r；
[0057]将吊挂力F
k
与连杆i的交点记为吊点k，其中，吊点的位置与吊挂工装的安装参数一致；吊挂工装k的质心位于吊挂力F
k
的轴线上，吊挂工装k的重力与吊挂力F
k
反向共线，作用点均为吊点坐标系{k}；
[0058]确定吊挂工装k在全局坐标系{A}中的重力矢量为：
[0059][0060]其中，M
k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，其特征在于包括：确定机械臂结构的运动学参数及动力学参数；确定重力补偿系统吊挂工装的安装参数与质量参数；考虑重力环境，推导机械臂关节力矩数学模型，用于计算任意一组吊挂力作用下，机械臂在任意臂型时各旋转关节所受力矩；确定机械臂典型任务构型，基于所得机械臂关节力矩数学模型，计算得到任意一组吊挂力作用下，典型任务构型的机械臂关节力矩矩阵；以典型任务构型的机械臂关节力矩矩阵作为输入，设计目标函数，通过枚举法离散优化后，计算得到重力补偿系统的最优吊挂力。2.根据权利要求1所述的一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，其特征在于：所述机械臂结构设置于外部基座上，基座设置于模拟墙或气浮平台上。3.根据权利要求1所述的一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，其特征在于：所述机械臂运动学参数为DH坐标，所述机械臂动力学参数为机械臂各连杆的质量及质心位置。4.根据权利要求1所述的一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，其特征在于：推导数学模型的具体步骤如下：根据机械臂结构的运动学参数及动力学参数，计算机械臂各连杆的重力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作用力矩；根据重力补偿系统吊挂工装的安装参数与质量参数，计算各吊挂工装的重力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作用力矩；根据重力补偿系统吊挂工装的安装参数和吊挂力参数，计算各吊挂力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作用力矩；将计算所得所有作用力矩叠加，确定重力环境和重力补偿系统作用下，机械臂关节力矩数学模型。5.根据权利要求4所述的一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，其特征在于：计算机械臂各连杆的重力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作用力矩具体步骤为：对于自由度为n的串联机械臂，包括n+1个连杆，具体依次为连杆0、连杆1、
…
、连杆n，通过DH坐标表示相邻连杆坐标系{i}与{i
‑
1}之间的位姿关系为：cθ
i
＝cos(θ
i
),sθ
i
＝sin(θ
i
),cα
i
＝cos(α
i
),sα
i
＝sin(α
i
)式中，
i
‑1T
i
为相邻连杆坐标系{i}与{i
‑
1}之间的齐次变换矩阵，a
i
、d
i
、α
i
和θ
i
为连杆i的
改进DH坐标；对于任意齐次变换矩阵T，包含的姿态变换矩阵R和位置矢量p具体为：R＝T(1:3,1:3),p＝T(1:3,4)当T描述的两个坐标系方向一致时，R＝I3×3，I3×3表示3
×
3的单位矩阵；对于机械臂任意臂型θ，通过DH坐标的关节变量θ
i
表示为：θ＝[θ
1 θ2ꢀ…ꢀ
θ
i
ꢀ…ꢀ
θ
n
]计算连杆坐标系{i}相对于基座坐标系{0}的齐次变换矩阵为：根据实际需要定义全局坐标系{A}的方向，并确定基座坐标系{0}相对于全局坐标系{A}的姿态变换矩阵为
A
R0；当重力方向沿全局坐标系{A}的
‑
Y轴方向时，确定全局坐标系下的重力加速度矢量为确定连杆i在全局坐标系{A}中的重力矢量为：其中，m
i
为连杆i的质量；确定连杆i的质心坐标系{icm}相对于连杆坐标系{i}的齐次变换矩阵为：其中，
i
d
icm
为连杆i的质心坐标系{icm}相对于连杆坐标系{i}的位置矢量；计算连杆i的质心坐标系{icm}相对于基座坐标系{0}的齐次变换矩阵为：计算连杆i质心坐标系{icm}相对于连杆坐标系{j}的齐次变换矩阵为：确定连杆i的重力矢量转换到基座坐标系{0}中的表达方式为：确定连杆i的重力矢量转换到连杆坐标系{j}中的表达方式为：将旋转关节j表示为连杆坐标系{j}，确定连杆i质心坐标系{icm}处的重力对旋转关节j的作用力矩为：
定义一个计算因子为：对于任意臂型θ，确定机械臂各连杆的重力对旋转关节j的作用力矩为：6.根据权利要求4所述的一种用于空间机械臂地面试验重力补偿的吊挂力设计方法，其特征在于：计算各吊挂工装的重力对机械臂在任意臂型时各旋转关节的作...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，邹怀武，肖余之，朱虹，黎丰，刘鲁江，王碧，赵真，靳宗向，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：