一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法
一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法
【专利摘要】本发明提供一种能够适应不同任务以及不同结构的空间绳系机器人的建模需求，简化建模工作，提高建模和解算效率的空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法；其包括如下步骤：步骤1，确定空间绳系机器人的拓扑结构和结构参数，空间绳系机器人的拓扑结构包括空间系绳，以及通过空间系绳连接且均为多刚体结构的空间平台和操作机器人；步骤2，建立空间系绳的动力学模型；步骤3，基于Hamilton原理并结合空间系绳的动力学模型，建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型；步骤4，将地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型转换至轨道惯性系下；步骤5，利用有限元法离散化系统模型，建立空间绳系机器人的通用动力学模型。
【专利说明】 —种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间绳系机器人在轨服务领域，具体为一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法。
【背景技术】
[0002]空间绳系机器人是一种新型的空间机器人系统，由于其灵活、安全、成本低等特点，将广泛应用于失效卫星救护、空间垃圾清理、在轨维修、在轨组装等任务。空间绳系机器人的一般架构为“空间平台+空间系绳+操作机器人”，空间平台通过空间系绳释放操作机器人，操作机器人逼近空间目标实施抓捕；并利用操作机器人上自带操作机械臂及末端操作手执行在轨服务任务。作为一种复杂的刚柔组合系统，其动力学建模是一个巨大的挑战。针对这类系统建模，目前的常用模型按照复杂度可分为哑铃模型、弹簧-质量模型与多单元模型三类。最为复杂的多单元模型虽然很好的反映了空间系绳的质量、弹性、张力等特性，但将两端绑体近似为质点或单刚体结构，并不适合空间绳系机器人。因此，针对这种复杂空间绳系机器人的建模问题，需要在多单元模型的基础上，考虑两端绑体的多刚体构型，建立空间绳系机器人动力学模型。另外，尽管空间绳系机器人具有类似的结构，但针对不同的任务，空间绳系机器人的结构仍有所不同。例如，操作手的配置及自由度需针对任务设计。这给空间绳系机器人的研究带来极大的动力学建模工作量。因此，亟需建立一种空间绳系机器人的通用动力学模型，并设计一种通用解算方法，为空间绳系机器人的研究奠定基础。
【发明内容】
[0003]本发明解决的问题在于提供一种能够适应不同任务以及不同结构的空间绳系机器人的建模需求，简化建模工作，提高建模和解算效率的空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0005]一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其包括如下步骤:步骤1，确定空间绳系机器人的拓扑结构和结构参数，空间绳系机器人的拓扑结构包括空间系绳，以及通过空间系绳连接且均为多刚体结构的空间平台和操作机器人；步骤2，建立空间系绳的动力学模型；步骤3，基于Hamilton原理并结合空间系绳的动力学模型，建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型；步骤4，将地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型转换至轨道惯性系下；步骤5，利用有限元法离散化系统模型，建立空间绳系机器人的通用动力学模型。
[0006]优选的，步骤I中确定的拓扑结构参数包括，定义地心惯性坐标系为0ΧωΥωΖω ;空间平台由ηΡ个刚体连接而成，第i个刚体的质心为Pi,质量为吣，本体系下惯量为./}.，相对惯性坐标系的欧拉四元数为4 ;操作机器人由nM个刚体连接而成，第i个刚体的质心为Mi,质量为?4，本体系下惯量为^，相对惯性坐标系的欧拉四元数为;空间系绳连接空间平台和操作机器人，且两端均能收放；点Cp表示空间平台与空间系绳之间的连接点，点Cm表示末端操作机器人与空间系绳之间的连接点。
[0007]进一步，步骤2中建立空间系绳的动力学模型时，引入自然坐标s表示空间系绳未变形时，空间系绳上一点与某一端点间的绳段长度；选取空间系绳存放在平台中的一端为自然坐标起点，并规定sP(t)表示Cp点处空间系绳自然坐标，sM(t)表示Cm点处空间系绳自然坐标；总长为L的空间系绳表示为:[0008]
【权利要求】
1.一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤I，确定空间绳系机器人的拓扑结构和结构参数，空间绳系机器人的拓扑结构包括空间系绳(2)，以及通过空间系绳(2)连接且均为多刚体结构的空间平台(I)和操作机器人(3)； 步骤2，建立空间系绳的动力学模型； 步骤3，基于Hamilton原理并结合空间系绳的动力学模型，建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型； 步骤4，将地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型转换至轨道惯性系下； 步骤5，利用有限元法离散化系统模型，建立空间绳系机器人的通用动力学模型。
2.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤I中确定的拓扑结构参数包括，定义地心惯性坐标系为0ΧωΥωΖω ;空间平台由ηΡ个刚体连接而成，第i个刚体的质心为Pi,质量为*4 ?本体系下惯量为4?相对惯性坐标系的欧拉四元数为4;操作机器人由％个刚体连接而成，第i个刚体的质心为Mi,质量为》4，本体系下惯量为?相对惯性坐标系的欧拉四元数为為；空间系绳连接空间平台和操作机器人，且两端均能收放；点Cp表示空间平台与空间系绳之间的连接点，点Cm表示末端操作机器人与空间系绳之间的连接点。
3.根据权利要求2所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤2中建立空间系绳的动力学模型时，引入自然坐标s表示空间系绳未变形时，空间系绳上一点与某一端点间的绳段长度；选取空间系绳存放在平台中的一端为自然坐标起点，并规定Sp(t)表示Cp点处空间系绳自然坐标，sM(t)表示Cm点处空间系绳自然坐标?’总长为L的空间系绳表示为:
4.根据权利要求3所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，空间系绳轴向张力包括弹性力Nc=EA ε和粘弹性体轴向阻尼力JV0 两部分。
5.根据权利要求4所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤3中建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型为:
6.根据权利要求5所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤3中建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型时引入Carnot能量损失项来对空间系绳释放与回收过程中系统的能量方程进行修正。
7.根据权利要求6所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤4中，将空间绳系机器人的动力学模型从地心惯性系转换到轨道惯性系:
8.根据权利要求7所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤5中，在离散化之前，引入归一化自然坐标S，
9.根据权利要求8所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤5中，将轨道惯性系下的模型离散化后得到空间绳系机器人的通用动力学模型为: (1)空间平台动力学方程及约束方程
【文档编号】G06F19/00GK103955611SQ201410174670
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】孟中杰, 胡仄虹, 黄攀峰 申请人:西北工业大学
【专利摘要】本发明提供一种能够适应不同任务以及不同结构的空间绳系机器人的建模需求，简化建模工作，提高建模和解算效率的空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法；其包括如下步骤：步骤1，确定空间绳系机器人的拓扑结构和结构参数，空间绳系机器人的拓扑结构包括空间系绳，以及通过空间系绳连接且均为多刚体结构的空间平台和操作机器人；步骤2，建立空间系绳的动力学模型；步骤3，基于Hamilton原理并结合空间系绳的动力学模型，建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型；步骤4，将地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型转换至轨道惯性系下；步骤5，利用有限元法离散化系统模型，建立空间绳系机器人的通用动力学模型。
【专利说明】 —种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间绳系机器人在轨服务领域，具体为一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法。
【背景技术】
[0002]空间绳系机器人是一种新型的空间机器人系统，由于其灵活、安全、成本低等特点，将广泛应用于失效卫星救护、空间垃圾清理、在轨维修、在轨组装等任务。空间绳系机器人的一般架构为“空间平台+空间系绳+操作机器人”，空间平台通过空间系绳释放操作机器人，操作机器人逼近空间目标实施抓捕；并利用操作机器人上自带操作机械臂及末端操作手执行在轨服务任务。作为一种复杂的刚柔组合系统，其动力学建模是一个巨大的挑战。针对这类系统建模，目前的常用模型按照复杂度可分为哑铃模型、弹簧-质量模型与多单元模型三类。最为复杂的多单元模型虽然很好的反映了空间系绳的质量、弹性、张力等特性，但将两端绑体近似为质点或单刚体结构，并不适合空间绳系机器人。因此，针对这种复杂空间绳系机器人的建模问题，需要在多单元模型的基础上，考虑两端绑体的多刚体构型，建立空间绳系机器人动力学模型。另外，尽管空间绳系机器人具有类似的结构，但针对不同的任务，空间绳系机器人的结构仍有所不同。例如，操作手的配置及自由度需针对任务设计。这给空间绳系机器人的研究带来极大的动力学建模工作量。因此，亟需建立一种空间绳系机器人的通用动力学模型，并设计一种通用解算方法，为空间绳系机器人的研究奠定基础。
【发明内容】
[0003]本发明解决的问题在于提供一种能够适应不同任务以及不同结构的空间绳系机器人的建模需求，简化建模工作，提高建模和解算效率的空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0005]一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其包括如下步骤:步骤1，确定空间绳系机器人的拓扑结构和结构参数，空间绳系机器人的拓扑结构包括空间系绳，以及通过空间系绳连接且均为多刚体结构的空间平台和操作机器人；步骤2，建立空间系绳的动力学模型；步骤3，基于Hamilton原理并结合空间系绳的动力学模型，建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型；步骤4，将地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型转换至轨道惯性系下；步骤5，利用有限元法离散化系统模型，建立空间绳系机器人的通用动力学模型。
[0006]优选的，步骤I中确定的拓扑结构参数包括，定义地心惯性坐标系为0ΧωΥωΖω ;空间平台由ηΡ个刚体连接而成，第i个刚体的质心为Pi,质量为吣，本体系下惯量为./}.，相对惯性坐标系的欧拉四元数为4 ;操作机器人由nM个刚体连接而成，第i个刚体的质心为Mi,质量为?4，本体系下惯量为^，相对惯性坐标系的欧拉四元数为;空间系绳连接空间平台和操作机器人，且两端均能收放；点Cp表示空间平台与空间系绳之间的连接点，点Cm表示末端操作机器人与空间系绳之间的连接点。
[0007]进一步，步骤2中建立空间系绳的动力学模型时，引入自然坐标s表示空间系绳未变形时，空间系绳上一点与某一端点间的绳段长度；选取空间系绳存放在平台中的一端为自然坐标起点，并规定sP(t)表示Cp点处空间系绳自然坐标，sM(t)表示Cm点处空间系绳自然坐标；总长为L的空间系绳表示为:[0008]
【权利要求】
1.一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤I，确定空间绳系机器人的拓扑结构和结构参数，空间绳系机器人的拓扑结构包括空间系绳(2)，以及通过空间系绳(2)连接且均为多刚体结构的空间平台(I)和操作机器人(3)； 步骤2，建立空间系绳的动力学模型； 步骤3，基于Hamilton原理并结合空间系绳的动力学模型，建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型； 步骤4，将地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型转换至轨道惯性系下； 步骤5，利用有限元法离散化系统模型，建立空间绳系机器人的通用动力学模型。
2.根据权利要求1所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤I中确定的拓扑结构参数包括，定义地心惯性坐标系为0ΧωΥωΖω ;空间平台由ηΡ个刚体连接而成，第i个刚体的质心为Pi,质量为*4 ?本体系下惯量为4?相对惯性坐标系的欧拉四元数为4;操作机器人由％个刚体连接而成，第i个刚体的质心为Mi,质量为》4，本体系下惯量为?相对惯性坐标系的欧拉四元数为為；空间系绳连接空间平台和操作机器人，且两端均能收放；点Cp表示空间平台与空间系绳之间的连接点，点Cm表示末端操作机器人与空间系绳之间的连接点。
3.根据权利要求2所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤2中建立空间系绳的动力学模型时，引入自然坐标s表示空间系绳未变形时，空间系绳上一点与某一端点间的绳段长度；选取空间系绳存放在平台中的一端为自然坐标起点，并规定Sp(t)表示Cp点处空间系绳自然坐标，sM(t)表示Cm点处空间系绳自然坐标?’总长为L的空间系绳表示为:
4.根据权利要求3所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，空间系绳轴向张力包括弹性力Nc=EA ε和粘弹性体轴向阻尼力JV0 两部分。
5.根据权利要求4所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤3中建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型为:
6.根据权利要求5所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤3中建立地心惯性系下空间绳系机器人的动力学模型时引入Carnot能量损失项来对空间系绳释放与回收过程中系统的能量方程进行修正。
7.根据权利要求6所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤4中，将空间绳系机器人的动力学模型从地心惯性系转换到轨道惯性系:
8.根据权利要求7所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤5中，在离散化之前，引入归一化自然坐标S，
9.根据权利要求8所述的一种空间绳系机器人的通用动力学模型的建立方法，其特征在于，步骤5中，将轨道惯性系下的模型离散化后得到空间绳系机器人的通用动力学模型为: (1)空间平台动力学方程及约束方程
【文档编号】G06F19/00GK103955611SQ201410174670
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】孟中杰, 胡仄虹, 黄攀峰 申请人:西北工业大学
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