SMA驱动空间机器臂避障与目标抓取的智能规划方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113942011A(43)申请公布日2022.01.18(21)申请号202111211689.9(22)申请日2021.10.18(71)申请人上海交通大学地址200240上海市闵行区东川路800号(72)发明人黄健哲肖秉杭敬忠良顿向明潘汉刘物己(74)专利代理机构上海段和段律师事务所31334代理人李佳俊郭国中(51)Int.Cl.B25J9/16(2006.01)权利要求书4页说明书11页附图1页(54)发明名称SMA驱动空间机器臂避障与目标抓取的智能规划方法(57)摘要本发明提供一种SMA驱动空间机器臂避障与目标抓取的智能规划方法，包括：构建步骤：基于关节弹簧本构参数构造目标优化函数；约束步骤：分别建立关节弹簧形变的约束条件、柔性机器臂末端位置距离目标位置的距离约束条件，以及空间障碍物的避障约束条件；目标优化函数步骤：基于非线性规划的遗传算法和上述约束条件计算目标优化函数；智能寻优步骤：找寻目标优化函数的最优解；二分法步骤：基于二分法对解域为空的状态进行判断并更新起始位置，最终获取柔性机器臂各平台期望位姿和各关节弹簧的期望长度。本发明能够有效解决现有技术中空间柔性机器臂难以准确合理并且实时地进行避障与目标抓取、太空碎片清理的技术问题。CN113942011ACN113942011A权利要求书1/4页1.一种SMA驱动空间机器臂避障与目标抓取的智能规划方法，其特征在于，包括：构建步骤：基于关节弹簧本构参数构造目标优化函数；约束步骤：分别建立关节弹簧形变的约束条件、柔性机器臂末端位置距离目标位置的距离约束条件，以及空间障碍物的避障约束条件；目标优化函数步骤：基于非线性规划的遗传算法、所述空间障碍物的避障约束条件、关节弹簧形变的约束条件、以及柔性机器臂末端位置距离目标位置的距离约束条件计算所述目标优化函数；智能寻优步骤：进行优化函数值计算，找寻所述目标优化函数的最优解；二分法步骤：基于二分法对解域为空的状态进行判断并更新起始位置，最终获取柔性机器臂各平台期望位姿和各关节弹簧的期望长度。2.根据权利要求1所述的SMA驱动空间机器臂避障与目标抓取的智能规划方法，其特征在于，所述关节弹簧形变的约束条件包括：SMA材料的特性与机构自身和载荷的存在，加热后不会自主收缩至应变和形变为0的状态，SMA弹簧形变的约束表示为：其中，和表示第i个平台第j组SMA弹簧的形变量和向量形式，上标为i下标为j表示第i个平台第j组；L0表示各SMA弹簧的记忆长度；R(i)表示第i个动坐标系到固定坐标系的旋转矩阵：T(i)表示第i个平台参考系下第(i+1)个平台中心的位置向量；表示第i个平台第j组SMA弹簧的上固定端在第(i)个平台下的位置向量；表示第i个平台第j组SMA弹簧的下固定端在第(i+1)个平台下的位置向量。3.根据权利要求1所述的SMA驱动空间机器臂避障与目标抓取的智能规划方法，其特征在于，所述柔性机器臂末端位置距离目标位置的距离约束条件包括：空间柔性机器臂末端位置距离期望目标位置存在距离约束，其末端到达此邻域空间后能通过末端执行器精确调节抵达目标位置，距离约束表示为：其中，Xinit表示空间柔性机器臂起始位置(xinit,yinit,zinit)；Πaim表示以期望位置(xaim,yaim,zaim)为中心，半径为δaim的邻域空间；R(i)表示第i个动坐标系到固定坐标系的旋转矩阵：2CN113942011A权利要求书2/4页其中，其中θi，ψi表示第i个动坐标系旋转到固定坐标系的三轴欧拉角。4.根据权利要求1所述的SMA驱动空间机器臂避障与目标抓取的智能规划方法，其特征在于，所述空间障碍物的避障约束条件包括：空间柔性机器臂在执行抓取任务时，需要考虑避碰，即通过识别外部障碍物位置信息，调整姿态与障碍物保持一定安全距离，避障约束为：其中，表示空间中第p个障碍物的中心位置表示第p个障碍物的空间覆盖范围；表示第q个空间柔性机器臂平台的安全邻域范围；n为空间柔性机器臂平台总数；N为空间中障碍物总数。5.根据权利要求1所述的SMA驱动空间机器臂避障与目标抓取的智能规划方法，其特征在于，所述目标优化函数步骤包括：目标优化函数需考虑的SMA弹簧收缩需要消耗的电能为：其中，u表示为驱动电压，R表示为材料内阻，h表示为热传递系数，A表示为材料横截面积，T表示为温度，T0表示为环境温度，m表示为材料质量，c表示为材料比热，t表示为加热时间，σ表示为应力，σ0表示为初始应力，E表示为弹性模量，ε表示为应变，ε0表示为初始应变，Θ表示为热弹性系数，Ω表示为相变系数，ξs表示为马氏体体积分数，ξs0表示为初始马氏体体积分数；考虑同时驱动两组SMA弹簧，构建目标优化函数FUN为：其中，FUN