[发明专利]一种空间机器人末端接触碰撞力计算方法

说明书

本发明公开了一种空间机器人末端接触碰撞力计算方法，该方法包括如下步骤：将捕获装置及被捕获装置的机械设计三维CAD模型进行简化；对建立的捕获装置及被捕获装置的三角片元化模型进行特征几何要素的提取；根据捕获装置及被捕获装置的几何特征模型得到捕获装置及被捕获装置的碰撞点位置及嵌入深度量；建立捕获装置和被捕获装置的碰撞模型；通过碰撞嵌入量和碰撞嵌入速度得到碰撞力；通过碰撞点嵌入速度的切向速度、碰撞力和摩擦系数得到接触摩擦力；结合碰撞力和接触摩擦力得到碰撞力模型。本发明针对不规则的目标几何构型，提供了简化几何特征的高效碰撞检测方法，为机械臂关节承载以及捕获控制方案仿真验证工作提供支撑。

技术领域

本发明属于空间机器人在轨维修维护领域，涉及一种空间机器人末端接触碰撞力计算方法，适用于对空间故障卫星、大型碎片等空间非合作目标的抓捕操作。

背景技术

在空间机器人末端夹持工具对目标星箭对接环捕获过程中，夹持工具与星箭对接环将不可避免的发生碰撞冲击，而且两体在碰撞过程中呈现出滑动摩擦，刚性碰撞及分离等多种运动形式，使得捕获过程中的动力学行为较为复杂，同时也影响到捕获任务的成败。另一方面，直接的碰撞会导致机械臂或目标损坏，为时限高品质的操作控制，必须将接触力的信息引入控制闭环，使得接触力控制在允许范围之内，以完成柔顺捕获。现有利用地面试验获得两者的碰撞信息，一是试验的复杂程度大，二是试验的重复可操作性差。

发明内容

本发明所解决的问题是：克服现有技术不足，提供了一种空间机器人末端接触碰撞力计算方法，针对不规则的目标几何构型，提供了简化几何特征的高效碰撞检测方法，根据碰撞两体的材料特性及几何特征，并建立工程适用的碰撞力模型，进行碰撞力计算，为机械臂关节承载以及捕获控制方案仿真验证工作提供支撑。

本发明的技术解决方案是：一种空间机器人末端接触碰撞力计算方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：将捕获装置及被捕获装置的机械设计三维CAD模型进行简化，基于简化模型对捕获装置及被捕获装置的表面建立三角片元化模型；

步骤2：对建立的捕获装置及被捕获装置的三角片元化模型进行特征几何要素的提取，对捕获装置及被捕获装置发生碰撞区域的点、线、面特征标定及提取，建立能够用于快速碰撞检测的捕获装置及被捕获装置的几何特征模型；

步骤3：根据捕获装置及被捕获装置的几何特征模型，采用沿坐标轴的包围盒AABB碰撞检测算法对捕获装置和被捕获装置进行碰撞检测，从而得到捕获装置及被捕获装置的碰撞点位置及嵌入深度量；

步骤4：由捕获装置及被捕获装置的碰撞点位置及嵌入深度量，建立捕获装置和被捕获装置的碰撞模型；

步骤5：根据捕获装置和被捕获装置的碰撞模型，通过碰撞嵌入量和碰撞嵌入速度得到碰撞力；

步骤6：根据捕获装置及被捕获装置的碰撞模型，通过碰撞点嵌入速度的切向速度、碰撞力和摩擦系数得到接触摩擦力；

步骤7：结合步骤5中的碰撞力和步骤6中的接触摩擦力得到碰撞力模型。

上述空间机器人末端接触碰撞力计算方法中，在所述步骤1中，三角片元为根据一个表面上的相邻三个节点的坐标定义一个三角片。

上述空间机器人末端接触碰撞力计算方法中，在所述步骤2中，特征几何要素包括点、线和面。