《行星采样柔性机械臂运动规划研究》.pdf

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1、第2卷第1期深空探测学报Vol

2、2No．12015年3月JournalofDeepSpaceExplorationMarch2O15行星采样柔性机械臂运动规划研究梁常春，孙鹏飞，王耀兵，危清清，姜水清(空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要：为适应行星表面较大范围的采样要求及系统减重的需求，采样机械臂通常是细长形臂杆加多关节组成的连杆型关节机械臂，这使得抑制柔性振动成为机械臂控制系统的研究重点。针对采样机械臂的工作过程，提出带抛物线过渡的平滑轨迹规划方法，即在运动过程中使加速度连

3、续，避免关节转动的力矩突变，并且最大限度降低峰值。首先建立基于D-H法的机械臂运动学方程，然后在考虑臂杆及关节柔性的动力学模型环境下，进行变加速匀速一变减速的笛卡尔空间加速度连续平滑轨迹规划运动，达到减小柔性臂振动、提高定位精度的目的。仿真结果表明，在运动规划中引入抛物线过渡的加速度连续环节、降低加速度冲击可以明显改善运动平稳性，对提高动态跟踪精度有直接作用。关键词：行星采样；柔性臂；运动优化中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：2095—7777(2015)01—0027—07DoI：10．15982／j．issn．2095

4、-7777．2015．01．004算法对每一条待定轨迹都要先进行控制仿真，因此0引言轨迹规划算法的效率很低，规划结果也与控制仿真无人自动行星样品采集与返回任务通常要求表中采用的控制方法及数值算法密切相关。并且空间层采样装置既能适应较大的采样范围要求，又要实机械臂的高可靠性及简单易用等特殊应用特点使得现采集样品的精确转移，且整个装置有严格的重量方法不能过于复杂。本文将使用改进的简便有效的限制]，这使得采样装置往往采用细长形臂杆组成带抛物线过渡的线性插值运动规划方法，对无冗余的连杆型关节机械臂带动末端采样器实现。此种机度的四自由度连杆机械

5、臂的关节运动进行控制，从械臂具有重量轻、驱动力小、耗能低、速度快等诸多而达到减轻振动的目的。无冗余度机械臂的运动可优点。但因为柔性较大，尤其是当末端采样器较重规划范围相对有限，所以此方法对进一步进行更加或抓取样品容器时，在运动中会因弹性变形产生振复杂系统的运动规划有很大帮助。动，从而对定位精度产生影响。因此如何减小振动1表层采样任务成为柔性采样机械臂研究的核心内容。对柔性臂的振动控制可以使用多种方法，如改1．1过程描述变结构形式、或采用复杂的主动振动控制方法。最本文研究的表层采样机械臂采用4自由度设早Park等(1993)_2用傅立叶

6、级数和多项式混合的计，如图1所示，所有关节均为回转关节(即为4R函数描述机器人轨迹，首次提出了利用轨迹规划抑机械臂)，包括肩部两个关节(偏航关节和俯仰关制柔性机器人残余振动的方法。随后Pritam节)、一级臂杆、肘俯仰关节、二级臂杆、腕俯仰关节KumarSarkar(1997)l3]按照同样的方法对两杆柔及末端采样器等_7]。机械臂整体安装于探测器表性机器人进行B样条轨迹仿真，计算快、效果也更面，工作过程如图2所示。好。其间Pond等(1995)¨4]也以变形能为优化目标机械臂通过四个关节的转动带动末端采样器到进行了轨迹规划抑振的研究

7、。此外，H．Kojima等达期望采样点，实现对土壤样品的铲取或挖掘。(2001)_5用四次多项式函数描述机械臂关节速度。为避免所采集的样品在返回地球过程中受到污这些算法对轨迹的描述或采用的优化算法有所染，拟将样品进行两次封装过程。首先将样品放入不同，但都直接以振幅等作为优化指标_6]，这就要求探测器侧壁A点处的一次封装容器内进行初次封收稿日期：2014-12O1修回日期：2015-02—3028深空探测学报第2卷1．2运动学建模根据采样机械臂坐标系定义(图3)，建立D—H参数[83如表1所示。表1采样机械臂D-H参数Table1I)_

8、Hparameters图1采样机械臂示意图Fig．1Illustrationofsamplingmanipulator图3机械臂坐标系Fig．3Manipulatorcoordinate根据【)IH参数及坐标系之间的变换关系，可以确定机械臂关节空间和末端操作空间的映射关系。连杆i对于连杆i一1的相对位置采用4次齐次变换描述，由I)IH参数可得各连杆变换矩阵如下c1～sO100J妇1cO100l0T1一(1)1001d1l(c)图2机械臂工作流程10001lFig．2Theworkingprocessofthemanipulatorc2

9、—sO200装，然后再抓取一次封装容器将其转移至探测器上001d2一(2)一一cO200方B点处的二次封装容器内。20OO1最后机械臂移动至安全位置，整个采样任务结束。c一sO30口21在此过程中，机械臂在A点的放样动作