[发明专利]一种基于多个控制点的空间机器人避撞方法

说明书

本发明提供一种基于多个控制点的空间机器人避撞方法，轨迹规划时机械臂关节角速度平滑，避免其发生不连续，能够抑制由单个控制点跳变引起的振动问题。上述方法包括：(1)将障碍物处理成由三角面构成的非凸多面体，将机械臂处理成线段，确定描述线段与三角形之间的碰撞检测算法，得到机械臂和障碍物之间距离最近的一对控制点；(2)建立空间机器人考虑避撞任务的多任务运动学方程；(3)建立空间机器人的避撞约束条件，结合(2)的运动学方程进行避撞求解；(4)根据多个控制点的参数设计调整新控制点参数，结合(2)的运动学方程进行避撞求解；(5)根据多个控制点对一个障碍物的避撞求解，对空间机器人的机械臂进行多障碍物的避撞控制。

技术领域

本发明涉及空间机器人执行任务时的避撞技术，具体为一种基于多个控制点的空间机器人避撞方法。

背景技术

卫星维护、在轨装配和空间碎片去除的需求日益增长，要求空间机器人在特定恶劣的空间环境中执行任务。具体事例有“机器人技术试验(ROTEX)”、“工程试验卫星VII(ETS-VII)”、“轨道快车(OE)”等。根据目前世界各空间机构计划的空间机器人，在空间任务中机器人数量和性能的增加在未来已成定局。为了有效地执行多项任务，研究人员主要关注在有障碍物的工作空间中空间机器人的运动控制问题。由于空间环境的不确定性，对于模型未知、运动的障碍物必须进行在线避撞规划与控制。因此，需要发展避撞技术以应对空间机器人在轨服务的运动控制问题。

现有技术的文献中已经提出了很多空间机器人在执行任务时的避障方法和策略。最为经典的是Faverjon和Tournassoud提出的基于局部的避撞规划方法，通过减小期望速度和避撞不等式约束下的规划速度之间的误差，从而规划机器人的运动。此方法要求机器人和障碍物必须是严格凸的目标，这在实际中很难实现。Helguera和Zeghloul对此方法做了改进，通过修改任务描述避免了局部最小值的问题。Schlemmer等人提出了一种基于距离梯度的在线避撞方法。Sentis和Khatib提出了一种利用势场的局部避撞方法。

以上避障方法的研究主要关注将机器人和障碍物处理成严格凸目标后的避撞问题。然而真实物理环境中，只有球、椭圆等可视为严格凸目标。由于目标是非严格凸的，因此目标上控制点运动时会产生不连续的情况。如果这种情况频繁地发生，由于控制点跳变会导致机械臂振动。关于这种现象Kanoun等人采用了一种多速度阻尼约束方法，可以抑制机械臂在含障碍物的工作空间中运动时产生的振动问题。但这种方法约束过程复杂，大大增加了计算量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于多个控制点的空间机器人避撞方法，轨迹规划时机械臂关节角速度平滑，避免其发生不连续，能够抑制由单个控制点跳变引起的振动问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于多个控制点的空间机器人避撞方法，包括，

步骤一，将障碍物处理成由三角面构成的非凸多面体，将机械臂处理成线段，确定描述线段与三角形之间的碰撞检测算法，得到机械臂和障碍物之间距离最近的一对控制点；

步骤二，建立空间机器人考虑避撞任务的多任务运动学方程；

步骤三，基于一对控制点建立空间机器人的避撞约束条件，结合步骤二得到的运动学方程进行避撞求解；

步骤四，基于多个控制点建立新控制点的运动信息，根据多个控制点的参数设计调整新控制点参数，结合步骤二得到的运动学方程进行避撞求解；

步骤五，根据多个控制点对一个障碍物的避撞求解，按空间机器人机械臂与障碍物的距离远近加入权重因子，对空间机器人的机械臂进行多障碍物的避撞控制。

优选的，步骤一的具体步骤如下，

步骤1.1，定义严格凸目标和Voronoi区域，