DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 08. 009
高涵. 面向卫星装配的六自由度机械臂运动学分析及仿真［J］ . 机电工程技术，2020，49（08）：30-32.
面向卫星装配的六自由度机械臂运动学分析及仿真
高涵
（天津大学仁爱学院， 天津301636）
摘要：针对六自由度机械臂逆运动学求解计算量较大、解算较为复杂的问题，以自主研发的六自由度机械臂为研究对象，提出一种逆运动学求解方法。根据机械臂的构型建立了正运动学模型，采用牛顿迭代法求解了机械臂逆运动学，基于MATLAB GUI构建了仿真实验平台，验证了所述方法的可行性和准确性。同时，仿真平台可实现机械臂D-H参数表、正逆运动学、机械臂圆弧及直线运动曲线可视化，为卫星装配高效作业规划及避障研究奠定了一定的理论基础。
关键词：卫星装配；机械臂；运动学；牛顿迭代；仿真平台
中图分类号：TP242.2 文献标志码：A 文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 08－0030－03
Kinematics Analysis and Simulation for Six Degree of Freedom Satellite
Assembly Manipulator
Gao Han
（Renai College, Tianjin University, Tianjin 301636, China）
Abstract: In order to solve the problem of large amount of calculation and complex solution of 6-DOF manipulator, an inverse kinematics solution method was proposed based on the self-developed 6-DOF manipulator. According to the configuration of the manipulator, the forward kinematics model was established, the inverse kinematics of the manipulator was solved by Newton iteration method, and the simulation experiment platform was built based on MATLAB GUI, which verified the feasibility and accuracy of the proposed method. At the same time, the simulation platform can realize the visualization of D-H parameter table,forward and inverse kinematics, circular arc and linear motion curve of manipulator, which lays a theoretical foundation for efficient operation planning and obstacle avoidance research of satellite assembly.
Key words: satellite assembly; manipulator; kinematics; Newton iteration; simulation platform
引言
目前，卫星装配主要采用专用的工装用于定位、支撑各个部件，然后通过人工辅助进行对接装配。然而，人工辅助工装存在生产效率低、关键对接部位可视性不强等问题，亟需一批具有快速、高精度、高可靠性的自动化装备来满足发展的需求。六自由度机械臂作为自动化装备的典型代表，由于具有可靠性高、灵活性强、冗余性好等特点，在焊接、搬运、装配及水下等领域得到了广泛的应用[1-5]。
六自由度机械臂运动学分析是末端位姿精确控制的基础。与正运动学问题相比，逆运动学求解较为复杂，其复杂程度与机械臂构型有关，且对于不同的机械臂构型没有通用的解法。六自由度机械臂逆运动学求解方法主要包括解析法、迭代法及几何法，国内外研究学者对此展开了研究。姜宏超等[6]采用解析法求解出六自由度模块化机械臂全部逆解，虽然该方法可以求解出全部解，但求解较为复杂，计算量较大；Perez等[7]采用代数法求解七自由度机械臂逆运动学，但该方法不能保证得到有效的封闭解；李宪华等[8]根据六自由度机械臂特殊结构，采用几何方法和解析法结合得到机械臂逆运动学完整解析解，该方法主要依赖于机械臂的特殊构型，通过几何关系进行求解，但需要与解析法结合使用，完成逆运动学求解工作；Nearchou[9]基于遗传算法对逆运动学问题进行了求解，但该算法的局限性在于逆运动学求解结果的收敛性依赖于初始点的选取。
针对以上问题，本文以课题组研制的六自由度机械臂为研究对象，提出一种基于牛顿迭代的逆运动学求解方法，并通过MATLAB GUI构建仿真平台，验证正运动学模型及逆运动学求解的可行性和准确性。
结束语
以课题组研制的六自由度机械臂作为研究对象，针对解析法求解逆运动学计算量大、求解复杂的问题，提出了一种基于数值迭代的方法对六自由度机械臂逆运动学进行求解，通过每次迭代，使迭代矩阵逐渐逼近于期望位姿矩阵，并基于MATLAB GUI建立了仿真平台，仿真结果验证了本文所述方法的可行性和准确性。该方法也适合于其他构型的六自由度机械臂逆运动学求解，后续课题组将在此基础上对卫星装配机器人轨迹规划问题展开更为深入地研究，以实现卫星装配过程中的高效作业规划。