一种空间站机械臂运动干涉状态实时检测方法与流程

1.本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种空间站机械臂运动干涉状态实时检测方法。


背景技术：

2.空间站机械臂在轨执行操作任务，尤其是辅助航天员出舱等任务，安全性是任务规划、路径规划的首要约束条件。随着空间站在轨建设的发展，空间站安装设备和舱段状态愈加复杂，大尺寸的机械臂运动受舱体、太阳翼、舱上设备影响极大；而空间站机械臂自身无事前干涉检查传感器，也不具备距离测量手段，因此必须借助其他干涉状态检测方法完成实时碰撞检测的精确预示和安全距离的精确计算。
3.目前国内外相关文献中尚没有针对大型复杂空间站机械臂的干涉状态检测的学术成果，已有成果多为简单环境下的简单几何分析和包络分析。中国专利(cn201711125091.1)《一种creo动静态干涉检查结果快速反馈系统及方法》介绍了一种基于creo软件的几何模型干涉检查方法，该方法中模型保持高精度，但计算时间长，无法完成实时动态检测，且针对确知、简单工作环境。中国专利(cn201710775981.0)《一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法和装置》，公开了一种基于空间坐标系、分时分段规划的机械臂路径规划方法，该方法灵活性高，能完成避障操作，但只能应对固定基座情况，对机械臂爬行状态无规划能力，且规划安全性、可靠性差。
4.因此，目前关于空间站机械臂运动干涉状态实时检测存在以下问题：
5.(1)空间站建造期间，本体构型状态变化大(由单舱逐渐拓展为三舱甚至多舱)，舱外设备状态复杂，机械臂运动面临检测环境变化大的问题；
6.(2)空间站运营安全性要求高，且舱外任务复杂，机械臂运动需要精确的安全距离信息作为运动安全性和路径规划可行性的保证；
7.(3)空间站机械臂为大型机械臂，其末端运动速度快，干涉状态检测需要解决实时性的问题。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是：提供一种空间站机械臂运动干涉状态实时检测方法，解决空间站机械臂在复杂空间约束条件下进行动态、实时干涉状态检查的问题，提供可靠的干涉状态和精确的安全距离信息。
9.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种空间站机械臂运动干涉状态实时检测方法，利用pro/e和3dmax软件，采用分层处理方法分解精细几何模型，再利用快速分层递归算法，处理机械臂自检检测和场景干涉检测，获得整体干涉状态和安全距离，从而完成本发明。
10.本发明提供的技术方案如下：
11.一种空间站机械臂运动干涉状态实时检测方法，包括：
12.结合环境状态约束和任务要求确定任务剖面，建立与该任务剖面相关的机械臂运动状态；
13.依据空间站机械臂和各环境结构的几何模型，将所需要的机械臂模型和环境结构模型进行分块处理，输出模型计算所需的点、线、面数据；
14.依据点、线、面数据，采用模型重构方法，在干涉检查仿真环境中重新构建空间站机械臂与相关环境结构的计算模型；
15.设定机械臂与空间站当前状态及干涉状态检测的遍历策略；
16.开展机械臂自检检测和场景干涉状态检测；
17.将设定时间间隔的机械臂运动序列关节角度数据输入计算模型，重复开展机械臂自检检测、场景干涉状态检测，获得机械臂运动状态下的干涉动态检测数据。
18.根据本发明提供的一种空间站机械臂运动干涉状态实时检测方法，具有以下有益效果：
19.基于分层处理方法，能够得到与实际几何状态完全一致的空间站及机械臂精确计算模型，且模型构建简便易得，能够应对空间站构型变化过程；利用快速分层递归算法，能够在精确模型的基础上准确计算干涉状态和安全距离，为运动安全性和路径规划可行性提供保证；分层递归算法计算速度快，稳定性强，能够对机械臂在轨运动提供实时干涉状态检测。
附图说明
20.图1为空间站机械臂运动干涉状态实时检测方法流程图；
21.图2为采用基本几何形状构建的几何模型示意图；
22.图3为构建的计算模型示意图。
具体实施方式
23.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
24.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
25.本发明提供了一种空间站机械臂运动干涉状态实时检测方法，如图1所示，包括如下步骤：
26.步骤(1)，结合环境状态约束和任务要求确定任务剖面，建立与该任务剖面相关的机械臂运动状态，包括任务剖面下各时间点的机械臂关节角度、基座位置标识、及环境结构姿态或位置(如太阳翼转动角度、载人飞船与货运飞船位置标识和航天员标识)。
27.例如，在支持航天员出舱抬升全景相机任务中，机械臂需要完成转运航天员动作，此任务状态下，载人飞船位于前向对接口，货运飞船位于后向对接口，核心舱太阳翼处于垂直归零状态。根据当前环境状态约束和任务要求，机械臂基座需要位于ha适配器，并通过安装脚限位器构型、航天员上臂点构型、接设备构型、中间点构型、作业点构型等典型位姿运动，到达作业点位置，完成机械臂时间序列下的路径规划。
28.再例如，在货运飞船转位试验中，机械臂需要完成推出和转位货船动作，此任务状态下，载人飞船位于径向对接口，货运飞船位于前向对接口，核心舱太阳翼处于水平归零状态。根据当前环境状态约束和任务要求，机械臂基座需要位于hb适配器，并通过直线推出、多关节运动、圆弧转位等典型动作满足转位试验要求，并完成机械臂时间序列下的路径规划。
29.步骤(2)，精确几何模型分层表示处理。
30.依据空间站机械臂和各环境结构如空间站舱体、太阳翼的精确几何模型，利用pro/e模型，导出为igs或step文件并导入3dmax平台，将所需要的机械臂模型、环境结构模型(如太阳翼模型、空间站各舱体模型)进行分块处理，之后依次导出为obj格式模型文件，处理为模型计算所需的点、线、面数据。
31.该步骤中，所述几何模型通过基本几何形状构建，所述基本几何形状包括原锥体、圆柱体、球体等，通过基本几何形状的组合获得任意形状。具体地，如图2所示，对于机械臂模型，关节采用圆柱体和球体进行组合表示，臂杆采用圆柱体和球体进行组合表示；相机及云台等采用锥体和圆柱体进行组合表示；末端采用圆柱体和球体进行组合表示。
32.对于太阳翼模型，桁架结构采用圆柱体进行组合表示；扇面采用矩形面结构进行组合表示。
33.对于空间站各舱体模型，节点舱采用球体表示；柱段采用圆柱体表示；舱外复杂设备多采用锥体、圆柱体和球体进行组合表示。
34.步骤(3)，构建精确计算模型。
35.依据点、线、面数据，采用模型重构方法，在干涉检查仿真环境中重新构建空间站机械臂与相关环境结构如空间站各舱体、太阳翼的精确计算模型。计算模型仍然采用点、线、面的形式，因此计算模型与实际几何模型本质上完全一致，图3所示。
36.该步骤中，针对任务剖面，建立机械臂运动路径上可能与机械臂存在干涉的相关环境结构的计算模型，而无需构建整个空间站的计算模型。
37.步骤(4)，设定机械臂与空间站当前状态及干涉状态检测的遍历策略。
38.依据机械臂关节角度、基座位置标识、环境结构姿态或位置的更新信息(太阳翼转动角度、载人飞船与货运飞船位置标识、航天员标识等环境更新信息)，完成机械臂与空间站当前状态的设定。
39.设计遍历策略，若干涉状态检测(碰撞检测)仅需要逻辑结果，则遍历存在干涉时即可以停止，该早期终止策略不适用于距离计算；若干涉状态检测需要输出机械臂与环境结构的距离或穿透深度，则在逻辑结果的基础上，完成点、线、面的距离运算，并存储最近距离或最大深度发生位置。
40.步骤(5)，开展机械臂自检检测。
41.利用快速分层递归算法，依次检测机械臂各对杆件的干涉状态和安全距离，从基座开始选取杆件，相邻杆件不检测，首先判断面面距离，其次判断线线距离，最后完成点点判断，直至选取到末端杆件。根据设定的遍历策略，输出相应的干涉状态检测结果。
42.1)判断机械臂各对杆件的面面距离，计算模型中机械臂各对杆件为圆柱体、球体或圆锥体结构，判断表征各对杆件的面的距离：
43.a)圆柱面与其他面间的距离可以简化为圆柱体轴线与其他面的距离，该距离减去
圆柱体半径即为所求距离；
44.b)球面与其他面间的距离可以简化为球心与其他面的距离，该距离减去球体半径即为所求距离；
45.c)圆锥面与其他面间的距离可以简化为圆锥轴线与其他面间的距离，该距离减去所在线面的方向向量在锥体上的截距，即为所求距离。
46.根据以上三条计算策略，面面距离实质简化为圆柱体轴线、球心以及圆锥轴线间的距离(即线线距离、点线距离)，大大简化了计算。若存在距离为负的情况，表明存在接触碰撞；否则为不接触。对所有面面距离进行遍历求解，即可求得最小值。
47.2)判断机械臂各对杆件的线线距离。对于线线距离，假设a、b分别为两条直线上任意点，l
ab
为两点间的距离，n1、n2分别为两条直线的方向向量，则两条直线间的距离为|(n1
×
n2)
·
l
ab
|，若距离为零，表明存在接触碰撞，否则为不接触；对于点线距离，假设直线的方向向量为n，直线上一点a，直线外一点m，则点线距离为|am
×
n|，若距离为零，表明存在接触碰撞，否则为不接触。对所有线线距离进行遍历求解，即可求得最小值。
48.3)判断机械臂各对杆件的点点距离，根据空间中两点坐标值进行遍历求解，即可求得点点距离最小值。
49.步骤(6)，开展场景干涉状态检测。
50.利用快速分层递归算法，确定机械臂与相关环境结构如空间站舱体、太阳翼间的干涉状态与安全距离，从机械臂基座之后的第一个杆件开始进行检测，同样首先判断面面距离，其次判断线线距离，最后完成点点判断，依次确定每一个杆件与各相关环境结构如空间站舱体、太阳翼的距离。距离计算方法与步骤(5)相同，均通过面面距离、线线距离和点点距离进行分层计算。
51.步骤(5)和步骤(6)中，对于连续碰撞计算，需要存储前一时间节点(帧)计算模型的对象配置和形状表示；而对于离散碰撞计算，则仅需要当前时间节点(帧)计算模型的对象配置和形状表示。
52.步骤(7)，将设定时间间隔如50ms或1s的机械臂运动序列关节角度数据输入计算模型(在轨可直接将期望角度输入计算模型)，重复开展机械臂自检检测、场景干涉状态检测，获得机械臂运动状态下的干涉动态检测数据。
53.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
54.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。