机器人捕获漂浮目标的碰撞研究.pdf

机器人捕获漂浮目标的碰撞硏究
朱映远',倪风雪,杨明2
(1.哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨エ业大学航天学院,黑龙江
哈尔滨150001)
Collision Research on the Capture Floating Goal by Robot
ZHU Ying-yuan, NI Feng-lei, YANG Ming
(1. Robot Research Institute, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. School of Astronautics, Harbin
Institute of Technology, Harbin 150001, China)
搞要:随着机器人应用领城的不断扩展,需要机态的目标,这一过程必然会和目标器发生碰撞。因
器人能够描漂淨目标。由于漂浮目标在捕荻过程此必须研究这种碰撞对捕获的影响以确捕获成
中不可免地会和机器人操作器发生碰撞,导致目功口-]。
标器发生较大的位姿偏移。对此,利用六自由度漂
目前,典型的空间领域机器人末端操作器有欧
浮模拟,对捕荻碰进行了研究,得到了机器人洲航天局的 ROTEX, NASDA的ETS-VII以及德
抓捕特定目标的规律,实现了提高捕荻可靠性的目国的 ROKVISS-4り,本文基于一种六自由度模拟器
的
以及6关节机器人和末端操作器,建立了漂浮目标
关键词:机器人;碰撞;抓握
模拟平台?,并对研制的机器人末端操作器进行了
中图分类号:TH7;TP24;TM93
不同初始位姿的捕获测试,分析了试验结果并得出
文献标识码:B
结论。
文章编马:1001-2257(2011)02-0074-03
Abstract With the development of robot, the
碰撞的分析研究
robot should be having the ability to capture the
机器人对漂浮目标的抓捕操作分为3个阶段,
floating goal.. For the manipulator should impact即接近阶段、接触及碰撞阶段和抓握阶段。在接触
the floating goal during the capture. And the goal及碰撞阶段会有冲击力产生,这个力会对机器人系
moving and revolving maybe lead to false capture.统和目标器的稳定性产生影响,甚至会对两者造成
So by the analysis on the collision with the6fod破坏。因此对接触碰撞阶段行分析研究
simulator, the rules can be got and be used to im-1.1建立机器人碰撞模型
prove the reliability.
为便于分析,作如下假设:
Key words: robot; collision; capture
a,机器人系统整体由刚体组成。
b.当机器人的末端作用器与目标器接触时有碰
0?言
撞力作用于机器人系统。
c,运动过程的运动学和动力学分析是在惯性坐
随着人类空间活动的不断发展,以及航天飞机
标系中进行的
宇宙飞船和空间站的建立,大量的空间生产、空间加
d,在惯性参考坐标系中,机器人系统的自由度
工、空间装配、空间维护和修理需要完成。利用机器为+6。目标器有3个旋转自由度和3个平移自
人以及配镫在机器人末端执行任务的操作器,可以由度,n代表机械臂的自由度。目标器的位姿由反
大大滅小宇航员从事危险工作的代价和成本。在空作用轮和反作用推进器控制。
间失重这种新环境下,机器人鴛要捕获处于漂浮状
定义了2个坐标系统,其中一个是轨道上的惯
收稿日期:2010-10-11
性参考坐标系∑1;另一个是附着于基座的基座坐
《机与电子》2011(2
冒能ニ
机墨人获课浮且的揎研究
标系どB,其原点位于基座的质心设R,与r是第立aG,=と(-m[R,x][r,x]),c.=
个连杆的质心分别相对于坐标系1和>B的原
点的位置矢量;R为基座的质心相对于惯性坐标系
Ja+m[R1×]J-),C=>と(IけA+JA
原点的位置矢量;V:和W:分别为相对于惯性坐标
系的线速度和角速度:い和分别为相对于基+m【R×])),C.-,C-2m[r×+
座坐标系∑B的线速度和角速度,可得:
V;=v+V。+WョXr
(1)R,x])Ja,C。=mn[R,メ,Xa=LWe
W: =w, +W
(2)1.2建立目标器並擅型
其中,Va和WB分别为基座质心在∑I中的
在碰撞过程中,作用在机器人末端作用器上的
线速度和角速度,算子“×”表示向量R的外积运冲击カ为F,根据牛顿第三运动定量可知,作用于
算
目标器上面的外力为-Fg,由此可得目标器的运动
v和ω:在基座坐标系中可以表示为:
方程如下
=J: (q)q
yx,=「-Fe
Ra×FE
其中J(q)是第i个连杆的雅可比矩阵,且J
其中,y=
,mu与为目标器的
根据式(1)、式(2),可得整个机器人系统的线"意P。、『。1,v.与W,分别为目标器的
ⅳ
动量和角动量如下
线速度与角速度。R。是从目标器质心指向目标器
V
碰撞接触点的位置矢贯。
1.3碰的运动方程
UA=∑IPW.+mRa
在碰撞的过程中可以忽略科氏加速度和离心加
速度,因为在这个过程中其均为有限值。刚体碰撞
是第个关节相对于基座坐标系的惯量
是一个瞬间进行的过程,在时间t内作用于机器人
根据刚体动力学原理,可知机器人系统线动量
上的外力为FE。对碰撞的冲击,作如下定义
相对于时间的微分等于作用于其上的外力FE,机器
人角动量相对于时间的微分等于作用于其上的外力
矩。将以上两式分别对时间求导数,可得
对式(3)、式(4)、式(5)两边积分,可得:
idr+A2 gdr+[A,, A,]X,
+U-9>IW, +MR, XV -< FE
As."g×Wdr
其中,R。为t时刻从机器人系统的质心指向外
ta十念
C qdr+cl'qdr+[C, C1]Xpdr+
力作用点的位置矢量。由两式可得
A19+A29+[A3, -A4JXB-A5QWH=FE
」"Wrcs+C」"oxWt=Rx"Frdr
C2g+C2 9+[Cs, C]XB+C4 WB+Ci9x WH
=Rcx Fp
R。
在上面两式中,A1=∑mJu,A2
因为碰撞过程的有限性,A1,C,q,R,Ra,WB
∑m'u,A。=ンm,A=∑m,[r,×],As
的积分将会消失,所以上述3个方程可简化为如下
的形式
《机械与电子》2011(2)