(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210977371.X (22)申请日 2022.08.15 (71)申请人 北京空间飞行器总体设计 部 地址 100094 北京市海淀区友谊路104 号 (72)发明人 张晓东　李剑飞　梁常春　王友渔　 赵志军　刘鑫　周轶丁　熊明华　 许哲　 (74)专利代理 机构 中国航天科技专利中心 11009 专利代理师 马全亮 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种模块化空间机械臂可重构构型调整方 法及系统 (57)摘要 本发明涉及一种模块化空间机械臂可重构 构型调整方法及系统， 包括： 依据常态下空间机 械臂数学模 型， 通过锁定除被动关节和主动关节 外的所有其他关节， 将高自由度欠驱动机械臂等 效为二自由度欠驱动机械臂模型； 依据所述二自 由度欠驱动机械臂模型， 考虑被动关节粘性摩擦 力， 获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两 种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间 的动力学耦合关系； 依据所述动力学耦合关系， 通过前置主动关节运动规划， 实现被动关节的关 节角度调整。 本发明实现了关节故障情况下， 空 间模块化高冗余自由度机械臂的可重构构型调 整。 在不降低动力学模型准确性的前提下简化动 力学模型， 可大大提高关节角度调整效率和难 度， 且适用范围广。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 115422724 A 2022.12.02 CN 115422724 A 1.一种模块 化空间机 械臂可重构 构型调整方法， 其特 征在于包括： 依据常态下空间机械臂数学模型， 通过锁定除被动关节和主动关节外的所有其他关 节， 将高自由度欠驱动机 械臂等效为 二自由度欠驱动机 械臂模型； 依据所述二自由度欠驱动机械臂模型， 考虑被动关节粘性摩擦力， 获得主动关节与被 动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间的动力学耦合关 系； 依据所述动力学耦合关系， 通过主动关节运动规划， 实现被动关节的关节角度调整。 2.根据权利要求1所述的一种 模块化空间机械臂可重构构型调 整方法， 其特征在于： 所 述被动关节指发生自由摆动故障的关节， 主动关节指运动和力矩输出能力正常的关节。 3.根据权利要求1所述的一种 模块化空间机械臂可重构构型调 整方法， 其特征在于： 锁 定除被动关节和前置主动关节外所有其他关节， 将高 自由度欠驱动机械臂 等效为二自由度 欠驱动机 械臂模型， 具体为： 当Jk发生自由摆动故障时， 将Jk作为被动关节， 而Jk‑1作为主动关节对Jk进行调整； 其余 关节J1,…,Jk‑2,Jk+1,…,Jn锁定于当前角度 θ1,…, θk‑2, θk+1,…, θn； 对于锁定后的机械臂， 定义连杆L1,L2,…,Lk‑2固连成为基座， 连杆Lk‑1为主动连杆La， 连 杆Lk+1,Lk+2,…,Ln与连杆Lk固连为被动连 杆Lp； 重新建立坐标系Σa、 坐标系Σp， 此时机械臂转化为只包含主动关节Jk‑1和被动关节Jk 的二自由度欠驱动机 械臂； 坐标系Σa与原坐标系Σk‑1重合， 坐标系Σp与原坐标系Σk重合； 其中， 机械臂总自 由度数目为n， Lk表示连杆k， Jk表示连接Lk‑1与Lk的关节k， Σk表示连杆 Lk的坐标系， 规定lk表示连接关节Jk到Jk+1的矢量。 4.根据权利要求3所述的一种 模块化空间机械臂可重构构型调 整方法， 其特征在于： 二 自由度欠驱动机 械臂模型的动力学参数获取 方式具体为： 根据关节Jk+1,Jk+2,…,Jn所对应的关节角度θk+1, θk+2,…, θn， 计算相邻连杆间的齐次变 换矩阵 根据各连杆质心相对于自身坐标系的矢量 及 相邻连杆间齐次变换矩阵， 求得 各连杆质心相对于其基坐标系Σp的矢量为： 基于上式， 求得被动连 杆Li， i＝k+1,k+2, …,n， 的质心相对于坐标系Σk的矢量rki为： rki表示连杆Li的质心在坐标系Σk中的矢量， mk表示连杆Lk的质量。 5.根据权利要求3所述的一种 模块化空间机械臂可重构构型调 整方法， 其特征在于： 依 据所述二自由度欠驱动机械臂模型， 考虑被动关节粘性摩擦力， 获得主动关节与被动关节 轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被动关节间动力学耦合关系， 具体包 括：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115422724 A 2(1)主动关节与被动关节轴线垂直时， 获得欠驱动机械臂主动关节Jk‑1与被动关节Jk间 动力学耦合关系为： 式中， mi为机械臂模型连杆Li的质量； 分别为被动关节Jk的关节角度、 速度及 加速度； 为主动关节Jk‑1的加速度； 其中 (rpi)j为被动连杆Lp内各连杆质心相对于被动连杆坐标系Σp矢量rpi的第j项， dk为连杆Lk的 D‑H参数中的连 杆偏置项； μ为被动关节粘性摩擦因数； (2)主动关节与被动关节轴线平行时， 获得欠驱动机械臂主动关节Jk‑1与被动关节Jk间 动力学耦合关系为： 6.一种根据权利要求1所述的模块化空间机械臂可重构构型调 整方法实现的模块化空 间机械臂可重构 构型调整系统， 其特 征在于包括： 模型等效模块： 依据常态下空间机械臂数学模型， 通过锁定除被动关节和主动关节外 的所有其 他关节， 将高自由度欠驱动机 械臂等效为 二自由度欠驱动机 械臂模型； 动力学耦合关系生成模块： 依据所述二自由度欠驱动机械臂模型， 考虑被动关节粘性 摩擦力， 获得主动关节与被动关节轴线垂直和平行两种情况下欠驱动机械臂主动关节与被 动关节间的动力学耦合关系； 构型调整模块： 依据 所述动力学耦合关系， 通过主动关节运动规划， 实现被动关节的关 节角度调整。 7.根据权利要求6所述的模块化空间机械臂可重构构型调整系统， 其特征在于： 所述被 动关节指发生自由摆动故障的关节， 主动关节指运动和力矩输出能力正常的关节。 8.根据权利要求6所述的模块化空间机械臂可重构构型调整系统， 其特征在于： 锁定除 被动关节和前置主动关节外所有其他关节， 将高 自由度欠驱动机械臂等效为二自由度欠驱 动机械臂模型， 具体为： 当Jk发生自由摆动故障时， 将Jk作为被动关节， 而Jk‑1作为主动关节对Jk进行调整； 其余 关节J1,…,Jk‑2,Jk+1,…,Jn锁定于当前角度 θ1,…, θk‑2, θk+1,…, θn； 对于锁定后的机械臂， 定义连杆L1,L2,…,Lk‑2固连成为基座， 连杆Lk‑1为主动连杆La， 连 杆Lk+1,Lk+2,…,Ln与连杆Lk固连为被动连 杆Lp； 重新建立坐标系Σa、 坐标系Σp， 此时机械臂转化为只包含主动关节Jk‑1和被动关节Jk 的二自由度欠驱动机 械臂； 坐标系Σa与原坐标系Σk‑1重合， 坐标系Σp与原坐标系Σk重合； 其中， 机械臂总自 由度数目为n， Lk表示连杆k， Jk表示连接Lk‑1与Lk的关节k， Σk表示连杆 Lk的坐标系， 规定lk表示连接关节Jk到Jk+1的矢量。 9.根据权利要求8所述的模块化空间机械臂可重构构型调整系统， 其特征在于： 二自由 度欠驱动机 械臂模型的动力学参数获取 方式具体为： 根据关节Jk+1,Jk+2,…,Jn所对应的关节角度θk+1, θk+2,…, θn， 计算相邻连杆间的齐次变权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115422724 A 3