[发明专利]一种刚柔可变机构对空间目标的抵近接触方法

权利要求书

1.一种刚柔可变机构对空间目标的抵近接触方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：基于人工势场法对刚柔可变机构进行运动学轨迹规划，并引入虚拟广义力使得刚柔可变机构具备跳出局部极小值的能力；

在基于人工势场法的轨迹规划方法中，引力势函数的表达式如下：

其中，引力系数k_a＞0，e(q)＝q_g-q代表相对目标位形q_g的＂偏差＂向量；q为当前位形；所述引力势函数的值总为正，且在目标位形q_g处取得全局最小值，与引力势函数相对应的引力定义为：

在基于人工势场法的轨迹规划方法中，斥力势函数的表达式如下：

其中，斥力系数k_r,p＞0，η_p(q)为当前控制点到障碍物的距离，η_0.p是障碍物的斥力影响范围；斥力势函数的数值在影响范围之外为零，内部为正，在接近障碍物边界时趋近于无穷大；与斥力势函数相对应的斥力定义如下：

将所有障碍对应的斥力势函数叠加起来就得到了合斥力势函数：

其中PO代表障碍物个数；

总的合成势函数U₁(q)是通过将引力势函数和合斥力势函数叠加得到的：

U₁(q)＝U_a1(q)+U_r(q) (6)

由合成势函数U₁(q)产生的作用力场表达式为：

最终考虑将作用力场f_t(q)转换成末端执行器的期望速度，此时令：

则最终采用如下的迭代法对刚柔可变的机构进行运动学规划：

q_k+1＝q_k+Tf_t(q_k) (9)

其中T为迭代步长，q_k为迭代过程中每一步的末端执行器位形；q_k+1为迭代过程中下一步的末端执行器位形；

步骤二：基于凯恩方法建立刚柔可变机构的动力学模型；

当刚柔可变机构基于避障轨迹规划运动至目标点附近后，将开展高抗扰的接触任务；

采用凯恩方法对刚柔可变机构进行动力学建模，将各个臂杆视为轻质弹簧阻尼系统，各个关节点视为集中质量点；首先定义地心惯性坐标系O_ex_ey_ez_e，以及携带刚柔可变机构的母星本体坐标系O_bx_by_bz_b；其中地心惯性坐标系的x_e轴指向春分点，z_e轴指向北极，y_e与前两者构成右手坐标系；母星本体坐标系的原点O_b定义在臂杆初始端的关节质点上，而本体系三个坐标轴通过相对于惯性系的三个欧拉角进行定义；

凯恩方程的形式如下所示：

f_i^*+f_i＝0 (i＝0,1,2,...,M-1) (10)

其中f_i^*代表广义惯性力，f_i代表广义主动力，M为系统的自由度，i对应于每个广义速率，j对应于系统中的各个关节质点，且i、j均从零开始取值，G_i,j为偏速度项，为第j个关节质点的绝对加速度矢量，为第j个关节质点所受到的广义外力；m_j为每个关节质点的质量；

选取除第一个关节质点外所有质点相对母星本体坐标系的速度作为广义速度：

接着给出各个质点在地心惯性坐标系中的位置矢量、速度矢量以及加速度矢量表达式：

其中分别为地心惯性坐标系以及机构母星本体坐标系的基矢量列阵，ω_b为母星本体系相对地心惯性系的角速度阵；基于公式(13)～(15)计算各个广义速度对应的偏速度项：

其中I₃为3阶单位矩阵；再基于公式(11)，则可以计算出系统对应的广义惯性力以及广义主动力，如下所示：

其中将各个关节质点的质量均取为m，A_eb为母星本体坐标到地心惯性系的坐标旋转矩阵，F_Gj,F_lj,F_dj,F_θj,F_θdj,F_tj分别代表地球引力项、臂杆的弹性力项、臂杆阻尼力项、关节弹性力项、关节阻尼力项以及外力项；

将式(17)和(18)代入公式(10)则可得最终的刚柔可变机构动力学方程；

步骤三：基于步骤二建立的刚柔可变机构动力学方程，设计变刚度操作律，使得刚柔可变机构在受到空间目标碰撞所导致的较大接触力时，能够主动降低关节刚度，并在碰撞结束后恢复较高刚度；

刚柔可变机构与空间目标的接触力由末端执行携带的触感单元进行测量；设碰撞标记参数为C，碰撞发生之前其初值为0，碰撞后设置为1，当触感单元测量的接触力超过设定阈值时，代表与空间目标的相互作用对母星的影响较大，可判定正在发生碰撞，此时设置碰撞标记C＝1；发生碰撞时，关节刚度主动降低到设定的低关节刚度数值；

当触感单元测量的接触力未超过设定阈值时，说明碰撞还未发生或碰撞已经结束；当判断碰撞还未发生时，关节刚度保持高刚度状态以保证控制精度；当判断碰撞已结束，并将碰撞标记参数C置为0，重复上述过程，直至接触力在较长时间内不超过设定阈值，则认为机构末端操纵器已经附着在目标身上，继而控制关节刚度沿Sigmoid型函数缓慢提升，最终恢复较高刚度。

2.如权利要求1所述的刚柔可变机构对空间目标的抵近接触方法，其特征在于：为避免控制点陷入局部极小值，所述步骤一引入一个作用在控制点上的虚拟力F_s以破坏末端执行器受力平衡，虚拟力的具体表达式如下所示：

|F_s(q)|＝c|F_r(q)| (19)

其中，F_r(q)为控制目标所受到的总排斥力，虚拟力的方向则与排斥力方向垂直；c为增益系数。