本發(fā)明涉及三指式抓持器碰撞預(yù)測方法，特別涉及空間機(jī)器人的三指式抓持器碰撞預(yù)測方法。

背景技術(shù)：
.隨著在軌服務(wù)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)衛(wèi)星等小型航天器在軌運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，可通過發(fā)射服務(wù)航天器對其進(jìn)行在軌修復(fù)。服務(wù)航天器入軌后與故障衛(wèi)星進(jìn)行交會對接，其上攜帶的空間機(jī)械臂抓取衛(wèi)星上的故障模塊將其從接口箱中拔出，再將新的模塊插入，完成修復(fù)任務(wù)。因此，衛(wèi)星在設(shè)計(jì)時(shí)，各功能模塊應(yīng)使用統(tǒng)一的匹配器，而機(jī)械臂末端則安裝相應(yīng)的執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對模塊的快速抓取。匹配器與執(zhí)行器配套形成抓取機(jī)構(gòu)，應(yīng)具備構(gòu)型簡單，結(jié)構(gòu)精巧，通用化，系列化等特點(diǎn)。美國的“軌道快車”計(jì)劃是小型航天器在軌維護(hù)的典型例子，目標(biāo)星NextSat上可更換功能模塊均采用統(tǒng)一的ORU接口，該接口末端有一個(gè)伸出短桿可供服務(wù)航天器ASTRO上的機(jī)械臂進(jìn)行抓取與拉近。這種抓取方式操作簡單，但抓取時(shí)要靠接口上的導(dǎo)向瓣調(diào)整姿態(tài)，調(diào)整能力有限，因此對機(jī)械臂在抓取前的末端姿態(tài)確定要求較高，當(dāng)末端與接口存在較大姿態(tài)偏差時(shí)，容易造成抓取失敗。德國的機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)(ROTEX)和輕型機(jī)器人計(jì)劃(DLR)分別采用機(jī)械臂末端攜帶多傳感器鉗形機(jī)械手和多自由度多指靈巧手完成了空間抓取任務(wù)，可抓取任意形狀的物體，靈活性較強(qiáng)，但缺乏機(jī)械可靠性和實(shí)用性，并且存在抓取穩(wěn)固性和控制復(fù)雜性等問題。日本空間局發(fā)射的ETS-VII完成了對漂浮衛(wèi)星的首次自主抓取實(shí)驗(yàn)，該工程中機(jī)械臂末端裝有一個(gè)三指多敏感器機(jī)械手，三手指各有一個(gè)自由度(2個(gè)轉(zhuǎn)動，1個(gè)平動)，并在平動手指尖端裝有一組插腳，適應(yīng)目標(biāo)外形。與該機(jī)械手匹配的是目標(biāo)衛(wèi)星有效載荷上的通用化抓鉤式接口(GrapleFixture，GPF)。但由于ETS-VII機(jī)械臂末端手指剛度有限，對目標(biāo)的位姿矯正能力較差，抓取前需要高精度定位和定姿。抓取分析方面，X.Cyril和K.Yoshida等分析了機(jī)械臂抓取目標(biāo)的碰撞動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)模型，H.Panfeng等建立了碰撞力及其對各關(guān)節(jié)影響的映射關(guān)系，應(yīng)用自適應(yīng)控制對目標(biāo)參數(shù)及碰撞力大小不確定情況下的抓取控制進(jìn)行研究，D.DIMITROV等討論了空間機(jī)器人與目標(biāo)在抓取過程中的動量交換與傳遞；魏承等提出了“動態(tài)抓取域”對抓取碰撞進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)了有效的抓取策略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決空間機(jī)器人在軌抓取操作時(shí)碰撞預(yù)測方法效率較低的問題，而提出的空間機(jī)器人的三指式抓持器碰撞預(yù)測方法。上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：步驟一、設(shè)計(jì)空間機(jī)器人的三指式抓取機(jī)構(gòu)的三維模型，根據(jù)三維模型建立數(shù)學(xué)模型；其中，三指式抓取機(jī)構(gòu)由主動部分和被動部分兩部分組成，主動部分作為末端執(zhí)行器安裝于服務(wù)航天器機(jī)械臂末端，被動部分作為機(jī)械臂的匹配器安裝于故障衛(wèi)星的可更換模塊上；三指式抓取機(jī)構(gòu)中的三指包括1號手指、2號手指和3號手指；1號手指與1號V型槽相對應(yīng)、2號手指與2號V型槽相對應(yīng)、3號手指與3號V型槽相對應(yīng)；三指用于捕捉匹配器；末端平臺與三指的根部相連接；步驟二、根據(jù)步驟一建立的三維模型和數(shù)學(xué)模型對三指式抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行碰撞檢測得到碰撞模型，根據(jù)碰撞模型侵入量計(jì)算碰撞力；其中，碰撞檢測具體包括三個(gè)手指與三個(gè)V型槽的碰撞檢測，三個(gè)手指與匹配器底面的碰撞檢測以及匹配器底面與服務(wù)航天器機(jī)械臂末端平臺的碰撞檢測；步驟三、將碰撞模型和機(jī)械臂系統(tǒng)模型建立空間機(jī)器人的三指式抓取機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型，根據(jù)三指式抓取機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型設(shè)計(jì)空間機(jī)器人三指式抓取機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)模型；其中，碰撞模型包括三手指與三個(gè)V型槽的碰撞模型、第l號手指與匹配器底面碰撞模型和匹配器底面與末端平臺的碰撞模型；步驟三一、建立空間機(jī)器人的三指式抓取機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型具體為：采用Lagrange方程對空間機(jī)器人進(jìn)行動力學(xué)建模如下：式中，Hb為空間集體慣量矩陣，Hc為基體與機(jī)械臂耦合慣量矩陣，Hm為機(jī)械臂慣量矩陣，為空間機(jī)器人的平動速度，為空間機(jī)器人的轉(zhuǎn)角加速度，cb為基體的依賴速度的非線性項(xiàng)，cm為機(jī)械臂的依賴速度的非線性項(xiàng)，F(xiàn)b為基體所受外力及外力矩，τm為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)力矩，Jb為末端基體雅可比矩陣，Jm為末端關(guān)節(jié)雅可比矩陣，F(xiàn)ex為機(jī)械臂末端所受外力，τex為機(jī)械臂末端所受外力矩；步驟三二、建立空間機(jī)器人三指式抓取機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)模型具體為：對服務(wù)航天器機(jī)械臂進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)具體過程為：由于碰撞沖擊是瞬時(shí)的，當(dāng)碰撞沖擊后忽略本體運(yùn)動的影響，對服務(wù)航天器機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用主動阻尼控制：為從編碼器中采集的關(guān)節(jié)角加速度；式中：Cτ為關(guān)節(jié)速度阻尼系數(shù)，為從編碼器中采集的關(guān)節(jié)角速度；空間機(jī)器人三指式抓取機(jī)構(gòu)的基體姿態(tài)采用偏差四元數(shù)PD控制；設(shè)基體姿態(tài)的初始四元數(shù)為q0，為q0的共軛四元數(shù)，目標(biāo)姿態(tài)四元數(shù)為qc；誤差四元數(shù)為qe，則：取控制律為比例微分控制；則控制力矩τb：τb＝-Kpq(e)-Kdωe+τd式中：Kp為基體姿態(tài)控制的比例系數(shù)陣；Kd為基體姿態(tài)控制的微分系數(shù)陣；ωe為基體的誤差角速度；q(e)＝[qe(1)qe(2)qe(3)]T；其中，qe(1)、qe(2)和qe(3)為誤差四元數(shù)為qe的前三個(gè)分量；設(shè)τd為機(jī)械臂運(yùn)動干擾力矩，由空間機(jī)器人的三指式抓取機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型可得:其中，cb為基體速度二次非線性項(xiàng)，為末端碰撞力對基體干擾，為機(jī)械臂運(yùn)動對基體干擾項(xiàng)，F(xiàn)h為三指式抓取機(jī)構(gòu)的末端力。發(fā)明效果針對空間機(jī)器人在軌抓取操作設(shè)計(jì)了一種三指式抓取機(jī)構(gòu)，主動部分作為末端執(zhí)行器安裝于機(jī)械臂末端，被動部分作為匹配器安裝于可更換模塊上。通過對抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型簡化與抓取過程分析，建立抓取機(jī)構(gòu)碰撞檢測模型，詳細(xì)分析手指與匹配器V型槽、手指與匹配器底面、匹配器底面與末端平臺的碰撞形式，并給出碰撞力計(jì)算公式。建立空間漂浮基六自由度機(jī)械臂動力學(xué)模型，應(yīng)用關(guān)節(jié)主動阻尼控制減小抓取碰撞對空間機(jī)器人的沖擊影響，應(yīng)用偏差四元數(shù)PD控制實(shí)現(xiàn)抓取過程基體的姿態(tài)穩(wěn)定。對初始時(shí)刻匹配器具有軸向位置偏差、徑向位置偏差、軸向姿態(tài)偏差、徑向姿態(tài)偏差等工況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：三指式抓取機(jī)構(gòu)能夠完成模塊的抓取操作，位姿偏差均能得到有效消除，控制器有效降低了抓取碰撞對機(jī)械臂系統(tǒng)的沖擊，基體姿態(tài)幾乎不受影響，驗(yàn)證了該抓取機(jī)構(gòu)的可應(yīng)用性。結(jié)論對空間機(jī)器人的抓取控制有著重要的理論價(jià)值及工程實(shí)際意義。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種三指式抓取機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，具有半靈活性(Semi-dexterous)，適用于空間機(jī)械臂對可更換模塊的抓取操作。對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與詳細(xì)的碰撞檢測分析，以空間六自由度機(jī)械臂抓取漂浮基體自身模塊為算例進(jìn)行了抓取過程仿真，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性，對各種初始偏差工況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了三指式末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的有效性與可應(yīng)用性。本發(fā)明以空間漂浮基體攜帶六自由度機(jī)械臂抓取自身可更換模塊為研究對象，設(shè)計(jì)了適用的三指式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并對抓取過程進(jìn)行了仿真分析，結(jié)論如下：(1)針對空間機(jī)械臂的抓取操作設(shè)計(jì)了三指式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對其進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型簡化與抓取過程分析；(2)對三指式抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行了碰撞檢測建模，分析了末端執(zhí)行器手指與匹配器V型槽和底面的碰撞形式，以及匹配器底面與末端平臺的碰撞形式，給出了碰撞力的計(jì)算準(zhǔn)則；(3)對空間漂浮基六自由度機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)建模，設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)主動阻尼控制與基體偏差四元數(shù)PD控制器，保證了抓取過程中機(jī)械臂系統(tǒng)與基體姿態(tài)的穩(wěn)定；(4)對匹配器初始時(shí)刻具有軸向位置偏差、徑向位置偏差、軸向姿態(tài)偏差、徑向姿態(tài)偏差等工況分別進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示三指式抓取機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的有效抓取，位姿偏差均能收斂至允許范圍內(nèi)如圖13(b)～(f)。附圖說明圖1為具體實(shí)施方式一提出的抓取機(jī)構(gòu)裝配圖；圖2(a)為具體實(shí)施方式一提出的抓取初始三維模型示意圖；圖2(b)為具體實(shí)施方式一提出的抓取過程三維模型示意圖；圖3為具體實(shí)施方式二提出的匹配器數(shù)學(xué)模型圖；圖4(a)為具體實(shí)施方式一提出的抓取初始狀態(tài)數(shù)學(xué)模型示意圖；圖4(b)為具體實(shí)施方式一提出的抓取結(jié)束狀態(tài)數(shù)學(xué)模型示意圖；圖5為具體實(shí)施方式三提出的手指1在慣性系下位置示意圖；圖6為具體實(shí)施方式三提出的手指1在匹配器坐標(biāo)系下的位置示意圖；圖7(a)為具體實(shí)施方式三提出的手指與V型槽未碰撞檢測圖；圖7(b)為具體實(shí)施方式三提出的手指與V型槽碰撞檢測圖；圖8為具體實(shí)施方式三提出的手指與V型槽碰撞總體描述示意圖；圖9為具體實(shí)施方式四提出的手指與匹配器底面碰撞檢測示意圖；圖10(a)為具體實(shí)施方式五提出的匹配器底面與末端平臺未碰撞檢測示意圖；圖10(b)為具體實(shí)施方式五提出的匹配器底面與末端平臺碰撞檢測示意圖；圖11為具體實(shí)施方式一提出的抓取過程示意圖；圖12為具體實(shí)施方式一提出的空間機(jī)械臂動力學(xué)模型圖；圖13(a)為實(shí)施例提出的無初始偏差抓取過程-匹配器位置誤差仿真圖；圖13(b)為實(shí)施例提出的無初始偏差抓取過程-手指1碰撞力示意圖；圖13(c)為實(shí)施例提出的無初始偏差抓取過程-手指2碰撞力示意圖；圖13(d)為實(shí)施例提出的無初始偏差抓取過程-手指3碰撞力示意圖；圖13(e)為實(shí)施例提出的無初始偏差抓取過程-末端平臺碰撞力示意圖；圖13(f)為實(shí)施例提出的無...