[发明专利]一种空间组合机械臂的快速自碰撞检测方法

说明书

本发明是一种空间组合机械臂的快速自碰撞检测方法。所述方法为采用球体与胶囊体结合的包围盒方法对组合机械臂进行球体和胶囊体包围盒的模型包络，所述组合机械臂由核心舱机械臂和实验舱机械臂组合，并对包络模型进行数据采集；根据组合机械臂实际任务给定组合机械臂所需参数；根据各关节角度，进行正运动学变换，得到组合机械臂新的位姿，实现快速自身碰撞检。本发明能够保证在有限资源下针对组合机械臂嵌入式系统能够实时有效检测自身碰撞。实际在对组合空间机械臂操作时，改进的碰撞算法能极大地缩短检测时间，提高了快速自身碰撞检测方法的实时性。

技术领域

本发明涉及空间组合机械臂遥操作技术领域，是一种空间组合机械臂的快速自碰撞检测方法。

背景技术

随着空间技术的飞速发展，特别是空间站、航天飞机、空间机器人等的诞生及成功应用，空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键性技术已经进入太空,并越来越受到人们的关注。我国空间站机械臂系统由核心舱机械臂和实验舱机械臂构成，核心舱机械臂和实验舱机械臂可以双臂组合，从而可以扩大工作空间实现更大范围作业。在空间组合机械臂状态下，实验舱机械臂在核心舱机械臂的支持下精确定位、操作，跨舱段转移自身基座位置的能力。

目前，碰撞检测领域的主要问题是实时性与准确性之间的矛盾。影响精确性的主要因素是场景中模型的精确程度，模型越精细，仿真出来的效果越好，但相应地数据量也会增大，导致检测时间增加、实时性变差。本发明主要研究组合机械臂的快速自碰撞检测方法，在保证准确性的前提下提高实时性。

由于现有的碰撞检测方法存在实时性与准确性之间的矛盾，所以本发明将针对组合机械臂自身碰撞，研究最适合的碰撞检测方法。最终决定采用包围盒技术实现组合机械臂的快速自身碰撞检测。为了保证组合机械臂的工作安全，根据中央控制器的碰撞检测模块，实现防止组合机械臂运动过程中与自身发生碰撞的目标。

目前针对空间机械臂的快速碰撞方法有球体、圆柱体、K-DOP、OBB以及AABB等方法。无论圆柱体、K-DOP、OBB还是AABB包围盒方法都各自有缺点，并且与空间机械臂碰撞检测要求不相符。球体包围盒相对简单且旋转时不需更新。但针对空间机器人嵌入式系统的在轨有限资源约束与实时性要求，单纯采用球体包围盒对组合机械臂进行碰撞检测时包围球太多，计算量太大，不能满足实时性要求，因此在此基础上发明了基于球体与胶囊体结合的组合机械臂快速碰撞检测方法。

发明内容

本发明为解决现有的碰撞检测方法存在实时性与准确性之间的矛盾，本发明提供了一种空间组合机械臂的快速自碰撞检测方法，本发明提供了以下技术方案：

一种空间组合机械臂的快速自碰撞检测方法，包括以下步骤：

步骤1：采用球体与胶囊体结合的包围盒方法对组合机械臂进行球体和胶囊体包围盒的模型包络，所述组合机械臂由核心舱机械臂和实验舱机械臂组合，并对包络模型进行数据采集；

步骤2：根据组合机械臂实际任务给定组合机械臂所需参数；

步骤3：根据各关节角度，进行正运动学变换，得到组合机械臂新的位姿，实现快速自身碰撞检测。

优选地，所述步骤1具体为：

采用球体与胶囊体结合的包围盒方法对组合机械臂进行球体和胶囊体包围盒的模型包络，并对包络模型进行数据采集并实时更新，所述组合机械臂包括末端执行器、关节延长件、各关节、臂杆、肘部相机、中央控制器和关节连接件，采用胶囊体包络臂杆，除臂杆外部件采用球体包络。

优选地，所述步骤2具体为：

根据组合机械臂实际任务给定组合机械臂所需参数，核心舱机械臂的末端负载为实验舱机械臂，给定核心舱机械臂的各杆件长度、各关节角度、基座适配器编号和肩部适配器编号信息；给定实验舱机械臂各杆件长度、各关节角度、末端负载状态，基座适配器编号和肩部适配器编号信息，为组合机械臂实现快速自身碰撞检测做准备。