[发明专利]空间机械臂抓捕非合作目标的多面体碰撞动力学分析方法

说明书

本发明一种空间机械臂抓捕非合作目标的多面体碰撞动力学分析方法，包括如下步骤：步骤1，建立空间机械臂的动力学模型；步骤2，将空间机械臂的末端表示为多个多面体的组合，将非合作目标表示为一个多面体；依次将表示空间机械臂末端的多个多面体对表示非合作目标的一个多面体进行碰撞检测，检测两个不同多面体是否碰撞；若无碰撞则重复步骤2，若有碰撞则检测两个不同多面体的碰撞交点；步骤3，根据两个不同多面体的碰撞交点，通过非线性阻尼模型对空间机械臂抓捕非合作目标过程中的碰撞力进行求解；步骤4，将碰撞力代入到动力学方程中得到抓捕过程中的碰撞响应。本发明设计合理，实施简单，分析计算保真度高，更加接近实际情况。

技术领域

本发明涉及空间机器人的碰撞动力学求解分析，具体为一种空间机械臂抓捕非合作目标的多面体碰撞动力学分析方法。

背景技术

碰撞是一种复杂的物理现象，发生在两个或多个物体相碰时。碰撞过程具有瞬时性，伴随着巨大的碰撞力和快速的能量消耗，同时出现大的加速及减速运动。在机械系统的分析与设计中这一现象必须被考虑。

到目前为止，已经有很多文献对接触动力学模型进行了研究，可以被分为两类：离散和连续模型。离散方法，也称为冲量-动量法，假定碰撞过程中的接触力持续时间极短碰撞体的布局没有发生变化。动力学分析分为两个阶段：碰撞前和碰撞后，通过模型可以给出碰撞后物体的运动状态。一般用于刚体碰撞分析，很难用于柔性体或多点接触和间歇接触。连续方法，是基于相互作用力以一种连续方式作用。通过建立接触力模型求解得到连续的接触力，在碰撞阶段将接触力添加到运动方程来分析碰撞响应。这种方法可以更好的描述摩擦建模的真实行为。

已有很多不同的模型用于描述两个接触体表面的相互作用力。第一个模型是由Hertz提出的，采用了一种弹性理论用于计算局部嵌入深度，没有使用阻尼。嵌入深度与接触力的关系是非线性的。最初且最简单的阻尼模型是弹簧-阻尼模型，由一个线性弹簧-阻尼元件来描述接触力。Dubowsky和 Freudenstein对这一模型进行了扩展，称为碰撞对模型，假定用线性黏性阻尼和赫兹弹簧描述接触面的行为。Hunt和Crossley表明线性阻尼模型不能真实地表示能量传递过程的物理性质。因此，他们基于赫兹接触理论提出了一个模型，带有由局部嵌入深度和相应的嵌入速率定义的非线性阻尼力。 Lee和Wang提出了相似的模型，但是对非线性阻尼项的描述使用不同的函数。对空间机械臂的碰撞动力学研究，一般采用连续力模型。但大部分文献主要是针对碰撞体中有一个为球或圆柱，对于多面体或任意形状的碰撞研究较少。Luo和Nahon基于碰撞的几何关系将碰撞进行分类，可以用于接触体为多面体的情况。

现有技术中，空间机械臂抓捕非合作目标的过程中，碰撞是不可避免的。但是由于目标的旋转特性和机械臂抓捕的过程与静止碰撞存在差异，因此两者的对象采用上述的模型和方法无法得到准确和高保真的结果。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空间机械臂抓捕非合作目标的多面体碰撞动力学分析方法，设计合理，实施简单，分析计算保真度高，更加接近实际情况。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种空间机械臂抓捕非合作目标的多面体碰撞动力学分析方法，包括如下步骤，

步骤1，建立空间机械臂的动力学模型；动力学模型包括运动学方程与动力学方程；

步骤2，将空间机械臂的末端表示为多个多面体的组合，将非合作目标表示为一个多面体；依次将表示空间机械臂末端的多个多面体对表示非合作目标的一个多面体进行碰撞检测，检测两个不同多面体是否碰撞；若无碰撞则重复步骤2，若有碰撞则检测两个不同多面体的碰撞交点；

步骤3，根据两个不同多面体的碰撞交点，通过非线性阻尼模型对空间机械臂抓捕非合作目标过程中的碰撞力进行求解；

步骤4，将求解得到的碰撞力代入到空间机械臂的动力学方程中得到抓捕过程中的碰撞响应。