文档介绍：第 28 卷第 5 期宇航学报 Vol. 28

2007 年 9 月 Journal of Astronautics September 2007
空间 3R 机器人工作空间分析
徐文福1 , 李立涛2 , 梁斌1 , 李成1 , 强文义1
(1. 哈尔滨工业大学空间智能系统研究所, 哈尔滨 150001 ; 2 . 哈尔滨工业大学航天工程系, 哈尔滨 150001)
摘要: 由于存在动力学耦合,空间机器人工作空间的分析比地面机器人复杂得多,以往的研究仅针对平面
运动的情况,本文探讨了三维工作空间的分析方法。首先根据基座的不同控制策略,推导了基座位姿固定、自由飞
行及自由漂浮三种模式的运动学方程,然后分析相应的工作空间。基座位姿固定时,采用几何分析法;基座自由飞
行时,借助虚拟机械臂分析其受限工作空间;而对于自由漂浮模式,结合角动量守恒方程,提出了计算路径相关工
作空间和路径无关工作空间的数值算法。文中以 3R 机器人为例进行实际计算,比较了各种工作空间的特点。最
后讨论了动力学奇异回避方法,并提出减小其影响的建议。
关键词: 空间机器人; 自由飘浮机器人; 工作空间; 动力学奇异; 路径规划
中图分类号: TP24 文献标识码: A 文章编号: 100021328(2007) 0521389206
器人三维工作空间的分析要困难得多。本文以 3R
0 引言
机器人为例,对其 3D 工作空间进行了分析,包括基
机器人工作空间的分析是路径规划和控制的基座位姿固定、自由飞行及自由漂浮模式下的工作空
础,已有二十多年的研究历史。地面固定基座机器间,并重点分析了路径相关工作空间和路径无关工
[1 - 4]
人工作空间的分析已相当成熟。然而,由于机作空间,对减小动力学奇异影响的空间机器人设计
械臂与其基座之间存在动力学耦合,使得空间机器提出了一些建议,同时讨论了避动力学奇异的空间
人工作空间的分析变得更加复杂。基座可以有三种机器人路径规划方法。
控制模式:位置姿态均受控(位姿固定) 、位置不受控
1 空间机器人运动方程
姿态受控(自由飞行) 、位置姿态均不受控(自由漂
浮) 。Z. Vafa 据此将空间机器人的工作空间分为基 1. 1 空间机器人一般运动方程
座位姿固定工作空间(fixed vehicle workspace) 、受限空间机器人动力学建模和控制方面的重要研究
工作空间( Constrained workspace) 及自由工作空间成果见文献[7 ] 。单臂空间机器人的模型如图 1 所
(free workspace) ,并采用虚拟机械臂(Virtual Manipu2 示,由 n 个自由度机械臂和作为基座的航天器平台
lator , VM) 的方法,分析了平面两关节机器人的受限组成。
[ 5]
工作空间。对于自由漂浮模式, 基座的姿态可通图中, Bi ( i = 0 , ⋯, n) 为第 i 个刚体, Ci 为 Bi
过关节的运动调整,因而其可达工作空间是各种给
的质心, J i ( i = 1 , ⋯, n) 为第 i 个关节, 为 Bi
6 i
定基座姿态下受限工作空间的并集。而 Z. Vafa 所
的固连坐标系,