[发明专利]基于对偶四元数建模与控制的三关节空间机械臂系统

说明书

技术领域

本发明涉及空间工作与探索研究领域，具体是一种基于对偶四元数建模与控制的三关节空间机械臂系统。

背景技术

随着航天技术的发展，航天器的用途更加广泛，随之而来的，航天器的故障情况频繁发生，这对航天器的自维修功能提出了更高的要求，通常航天器的维修是通过自身的机械臂来完成的。同时，空间机器人的数据采集工作，像是探月车的土质采样等，也需要机械臂来完成。然而，常规的空间机械臂采用的运动学与动力学建模方式复杂，控制系统精度也不高，这使得机械臂在工作过程中出现故障的概率增加，操作复杂。

发明内容

为了解决常规空间机械臂控制系统设计过程中运动学与动力学建模复杂、控制精度低以及空间机械臂工作过程中操作性差、故障概率高的问题，提供一种基于对偶四元数建模与控制的三关节空间机械臂系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：基于对偶四元数建模与控制的三关节空间机械臂系统，包括

超声波探测器,用于对航天器进行超声波探测，从而确定故障部位的所在位置；

安装在航天器上的视觉敏感器，用于对航天器故障部件进行拍照，并且将拍摄的照片传递到星载计算机；

星载计算机，用于对接收到的多张图片信息进行滤波处理，得到航天器故障部件的位置与姿态信息，根据计算分析得到的故障部件的位置和姿态信息，对机械臂的运动路径进行路径规划，根据规划好的路径，发出控制指令；

A/D转换电路，用于接收控制指令并将其转化为电信号，传送到升压电路；

升压电路，用于将电信号放大后传递到机械臂的电动机；

电动机，用于带动机械臂运动，到达故障部件的位置和姿态；

接口A和接口B，用于将星载计算机的规划路径以及机械臂关节的实际运动路径传递出去；

显示计算机，用于接收到接口传递的信息和星载计算机传出的信号，显示机械臂的规划路径曲线与实际运动路线，并且根据信息绘制机械臂的运动路径图线，将两者进行比较，观察机械臂的控制精度与目标达成情况；

星载计算机的输入端与视觉敏感器相连，输出端与A/D转换电路相连；视觉敏感器的输出端与星载计算机相连，A/D转换电路的输入端与星载计算机相连，输出端与升压电路相连，升压电路的输入端与A/D转换电路相连，输出端与电动机相连，电动机的输入端与升压电路相连，输出端与机械臂相连，机械臂的输入端与电动机相连，接口A的输入端与星载计算机相连，输出端与预警系统相连，它的作用有两个，第一是限制机械臂的运动速度，防止机械臂运动过快造成损伤，第二是当机械臂系统出现故障，不受控制时，预警系统能够防止机械臂与航天器其他部件相撞，并且中断机械臂的运动，接口B的输入端与星载计算机相连，输出端与显示计算机相连。

其中，星载计算机通过以下步骤对机械臂的运动路径进行规划：

S1、建立坐标系，以三节机械臂的质心为原点，z轴与机械臂基座上表面平行，x轴沿机械臂关节指向与下一关节的链接点，y轴由右手定则确定；

S2、相邻机械臂关节的动力学方程为

F^i+1ii=M^w^·i+1ii-h^]]>

式中：为关节i与关节i+1之间的驱动力；为惯量矩阵；为在i坐标系中两相邻关节之间的相对速度旋量的导数；为离心力；

S3、已知两相邻关节的动力学方程