新型SSRMS构型可重构空间机械臂的运动学奇异性分析

doi:10.3901/JME.2024.05.019

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (5): 19-35.doi: 10.3901/JME.2024.05.019

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新型SSRMS构型可重构空间机械臂的运动学奇异性分析

赵智远¹, 杨晓航¹, 徐梓淳¹, 李云涛¹, 汤家文², 赵京东¹

1. 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨 150001;
2. 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所绵阳 621999

收稿日期:2022-10-10 修回日期:2023-02-18 出版日期:2024-03-05 发布日期:2024-05-30
通讯作者: 赵京东，男，1977年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为空间机器人技术、生机电一体化技术。E-mail：zhaojingdong@hit.edu.cn
作者简介:赵智远，男，1994年出生，博士研究生。主要研究方向为空间机器人的运动学、动力学与控制技术。E-mail：zhaozyjldx@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(92148203, 91848202)、机器人技术与系统国家重点实验室(SKLRS202201A01)和航天飞行动力学技术重点实验室(XTB6142210210303)资助项目。

Kinematic Singularity Analysis of a Novel SSRMS-type Reconfigurable Space Manipulator

ZHAO Zhiyuan¹, YANG Xiaohang¹, XU Zichun¹, LI Yuntao¹, TANG Jiawen², ZHAO Jingdong¹

1. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001;
2. Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academy of Engineering and Physics, Mianyang 621999

Received:2022-10-10 Revised:2023-02-18 Online:2024-03-05 Published:2024-05-30

摘要/Abstract

摘要： 大型化、多样化和高精度化的在轨建造任务日趋增多，对舱外作业空间机械臂的能力提出了新的需求。传统SSRMS构型空间机械臂虽然被广泛地应用于在轨服务，但是其具有针对于特定任务设计的结构特点，限制了单个机械臂执行不同种类任务的能力，难以适应未来在轨任务复杂化发展的应用需求。为此，提出了一种新型的具有两个被动式伸缩臂杆的SSRMS构型可重构空间机械臂，并对其运动学奇异性进行了深入分析。首先，通过介绍新型机械臂的结构特点及可重构原理，总结了此类机械臂的工作性能优点，证明了其具备在未来的复杂在轨任务中扮演重要角色的潜力。然后，建立了新型机械臂分别在自由空间操作和重构操作时的微分运动学方程，通过对微分逆运动学方程的分析确定出了包含运动学奇异条件的雅可比矩阵。接着，提出了一种简单可靠的运动学奇异性分析方法，在雅可比矩阵中求解得到了新型机械臂的全部运动学奇异条件。最后，以新型机械臂为例进行了实验验证，结果表明：奇异条件不仅能够正确的确定出新型机械臂的奇异位形，而且在机械臂执行操作任务时可作为先验条件指导机械臂的避奇异运动控制，为操作任务的可靠执行提供了有力保障。

关键词: 空间机械臂, 可重构机械臂, 被动式伸缩臂杆, 微分运动学, 奇异性分析

Abstract: With the increase of large-scale, diversified, and high-precision on-orbit construction tasks, new demands on the capabilities are put forward for extra-vehicular space manipulators. Although the traditional SSRMS-type space manipulator is widely used in on-orbit services, it has task-specific structural characteristics that limit the ability of an individual manipulator to perform different types of tasks. Thus, the traditional manipulator has difficulty meeting the demands of the complicated development of future on-orbit tasks. To this end, a novel SSRMS-type reconfigurable space manipulator with two passive telescopic links is proposed, and its kinematic singularities are analyzed in depth. First, the advantages of the work performance for the new manipulator are summarized by introducing its structural characteristics and reconfigurable principle. They proved that the new manipulator has the potential to play a vital role in future on-orbit tasks. Then the differential kinematics equations of the new manipulator in free space operation and reconstruction operation are established, respectively, and the Jacobian matrix that contains kinematics singular conditions is obtained by analyzing the differential inverse kinematics equations. Next, a simple and reliable kinematic singularity analysis method is proposed, and all kinematic singularity conditions of the new manipulator are obtained by analyzing the Jacobian matrix. Finally, the new manipulator is taken as an example, verification experiments are carried out. The results show that the singularity conditions can not only correctly determine the singularity configuration but also serve as an a priori condition to guide the singularity avoidance motion control when the manipulator performs the operation task, providing a powerful guarantee for the reliable implementation of the operation task.

Key words: space manipulator, reconfigurable manipulator, passive telescopic link, differential kinematics, singularity analysis

中图分类号:

TP242

赵智远, 杨晓航, 徐梓淳, 李云涛, 汤家文, 赵京东. 新型SSRMS构型可重构空间机械臂的运动学奇异性分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 19-35.

ZHAO Zhiyuan, YANG Xiaohang, XU Zichun, LI Yuntao, TANG Jiawen, ZHAO Jingdong. Kinematic Singularity Analysis of a Novel SSRMS-type Reconfigurable Space Manipulator[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(5): 19-35.

参考文献

[1] LI Weijie，CHENG Dayi，LIU Xigang，et al. On-orbit service (OOS) of spacecraft：A review of engineering developments[J]. Progress in Aerospace Sciences，2019，108：32-120.
[2] XUE Zhihui，LIU Jinguo，WU Chenchen，et al. Review of in-space assembly technologies[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2021，34(11)：21-47.
[3] 杨兴文，韩静涛，刘靖，等. 空间在轨制造技术发展综述及展望[J]. 宇航学报，2021，42(11)：1343-1354. YANG Xingwen，HAN Jingtao，LIU Jing，et al. Review and prospects of development of space on-orbit manufacturing technology[J]. Journal of Astronautics，2021，42(11)：1343-1354.
[4] 刘宏，刘冬雨，蒋再男. 空间机械臂技术综述及展望[J].航空学报，2021，42(1)：33-46. LIU Hong，LIU Dongyu，JIANG Zainan. Review and prospect of space manipulator technology[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2021，42(1)：33-46.
[5] 王翔，王为. 天宫空间站关键技术特点综述[J].中国科学：技术科学，2021，51(11)：1287-1298. WANG Xiang，WANG Wei. Key technical characteristics of the Tiangong Space Station[J]. SCIENTIA SINICA Technologica，2021，51(11)：1287-1298.
[6] 于金山，李潇，陶建国，等. 面向在轨装配的八索并联机构构型设计与工作空间分析[J]. 机械工程学报，2021，57(21)：1-10. YU Jinshan，LI Xiao，TAO Jianguo，et al. Configuration design and workspace analysis of parallel mechanism driven by eight cables for on-orbit assembly[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(21)：1-10.
[7] 史创，李伟杰，郭宏伟，等. 空间大型结构体在轨组装单元及对接接口研究[J]. 机械工程学报，2022，58(1)：52-60. SHI Chuang，LI Weijie，GUO Hongwei，et al. Research on in-orbit assembly unit and docking interface of large space structure[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(1)：52-60.
[8] 孟光，韩亮亮，张崇峰. 空间机器人研究进展及技术挑战[J].航空学报，2021，42(1)：8-32. MENG Guang，HAN Liangliang，ZHANG Chongfeng，et al. Research progress and technical challenges of space robot[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2021，42(1)：8-32.
[9] 赵智远，赵京东，赵亮亮，等. 求解SSRMS构型空间机械臂逆运动学的方法[J]. 机械工程学报，2022，58(3)：21-35. ZHAO Zhiyuan，ZHAO Jingdong，ZHAO Liangliang，et al. Method for solving the inverse kinematics of SSRMS-type space manipulator[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(3)：21-35.
[10] HANCHER M D，HORNBY G S. A modular robotic system with applications to space exploration[C]// 2006 IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology. IEEE，2006：132.
[11] AKIN D L，ROBERTS B，RODERICK S，et al. Morphbots：Lightweight modular self-reconfigurable robotics for space assembly，inspection，and servicing[J]. AIAA，2006，19(2)：7408-7418.
[12] YIM M，SHEN W M，SALEMI B，et al. Modular self-reconfigurable robot systems [grand challenges of robotics][J]. IEEE Robotics & Automation Magazine，2007，14(1)：43-52.
[13] AGHILI F，PARSA K. Design of a reconfigurable space robot with lockable telescopic joints[C]// 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE，2006：4608-4614.
[14] AGHILI F，PARSA K. A reconfigurable robot with lockable cylindrical joints[J]. IEEE Transactions on Robotics，2009，25(4)：785-797.
[15] OSHINOWO L，MUKHERJI R，LYN C，et al. Application of robotics to on-orbit spacecraft servicing-the next generation Canadarm project[C]// Proc. 11th Intl. Symposium on Artificial Intelligence，Robotics and Automation in Space. 2012：3-7.
[16] CRAIG J J. Introduction to robotics：mechanics and control，3/E[M]. Pearson Education India，2009.
[17] WANG Xuhao，ZHANG Dawei，ZHAO Chen，et al. Singularity analysis and treatment for a 7R 6-DOF painting robot with non-spherical wrist[J]. Mechanism and Machine Theory，2018，126：92-107.
[18] NOKLEBY S B，PODHORODESKI R P. Reciprocity-based resolution of velocity degeneracies (singularities) for redundant manipulators[J]. Mechanism and Machine Theory，2001，36(3)：397-409.
[19] NOKLEBY S B. Singularity analysis of the Canadarm2[J]. Mechanism and Machine Theory，2007，42(4)：442-454.
[20] KONG Xianwen，GOSSELIN C M. A dependent-screw suppression approach to the singularity analysis of a 7-DOF redundant manipulator：Canadarm2[J]. Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，2005，29(4)：593-604.
[21] CHEN Gang，ZHANG Long，JIA Qingxuan，et al. Singularity analysis of redundant space robot with the structure of Canadarm2[J]. Mathematical Problems in Engineering，2014(1)：735030.
[22] XU Wenfu，ZHANG Jintao，LIANG Bin，et al. Singularity analysis and avoidance for robot manipulators with nonspherical wrists[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，63(1)：277-290.
[23] POST M A，YAN X T，LETIER P. Modularity for the future in space robotics：A review[J]. Acta Astronautica，2021，189：530-547.
[24] SHI Shicai，HE Qingchao，JIN Minghe. Design and experimental study on telescopic boom of the space manipulator[C]// 2017 International Conference on Intelligent Robotics and Applications. 2017：707-716.
[25] 管城豪. 可伸缩空间机械臂杆结构设计及其控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020. GUAN Chenghao. Research on the structure design and control of the telescopic space manipulator[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2020.
[26] HORN R A，JOHNSON C R. Matrix analysis，2/E[M]. Cambridge：Cambridge University Press，2012.
[27] MATSAGLIA G，PH STYAN G. Equalities and inequalities for ranks of matrices[J]. Linear and Multilinear Algebra，1974，2(3)：269-292.
[28] METROPOLIS N，ULAM S. The Monte Carlo method[J]. Journal of the American Statistical Association，1949，44(247)：335-341.
[29] YOSHIKAWA T. Manipulability of robotic mechanisms[J]. The International Journal of Robotics Research，1985，4(2)：3-9.

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[1]	刘晓飞, 万波, 陈冉, 袁徽铭, 赵永生. 对称超冗余驱动6RPS并联机构运动性能分析与优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 235-247.
[2]	曾晨东, 艾海平, 陈力. 空间机械臂在轨插、拔孔操作力/位姿阻抗控制[J]. 机械工程学报, 2022, 58(3): 84-94.
[3]	谷勇霞, 张玉玲, 赵杰亮, 阎绍泽. 考虑含间隙关节的漂浮基空间机械臂动力学输出特性研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(3): 99-108.
[4]	倪智宇, 刘金国, 畅晨光. 基于子空间方法的柔性空间机械臂未知末端载荷质量参数辨识[J]. 机械工程学报, 2018, 54(14): 132-140.
[5]	贾庆轩, 李彤, 陈钢, 孙汉旭, 张健. 基于多层映射模型的空间机械臂运动可靠性影响因素灵敏度分析[J]. 机械工程学报, 2017, 53(11): 10-19.
[6]	王一帆, 孙汉旭, 陈钢, 贾庆轩. 基于分层结构的空间机械臂多约束任务规划[J]. 机械工程学报, 2017, 53(11): 104-112.
[7]	陈钢, 李彤, 贾庆轩, 孙汉旭, 张健. 空间机械臂末端力/位容错过程中关节参数突变抑制[J]. 机械工程学报, 2017, 53(11): 81-89.
[8]	宁峰平, 姚建涛, 安静涛, 赵永生. 减缓空间机械臂热预紧力的研究[J]. 机械工程学报, 2017, 53(11): 54-60.
[9]	于潇雁, 陈力. 漂浮基柔性两杆空间机械臂基于状态观测器的鲁棒控制及振动控制^*[J]. 机械工程学报, 2016, 52(15): 28-35.
[10]	董楸煌;陈力. 柔性空间机械臂捕获卫星碰撞动力学分析、镇定运动神经网络控制及抑振[J]. , 2014, 50(9): 34-42.
[11]	张文辉;叶晓平. 空间机械臂基于神经网络的死区补偿控制[J]. , 2014, 50(13): 52-58.
[12]	谷勇霞;赵杰亮;阎绍泽;吴嘉宁. 考虑谐波传动滞后的柔性空间机械臂运动精度[J]. , 2013, 49(23): 74-79.
[13]	郭益深;孙富春. 漂浮基柔性空间机械臂协调运动的非线性鲁棒自适应控制[J]. , 2013, 49(23): 36-43.
[14]	谢立敏;陈力. 控制力矩受限情况下漂浮基柔性空间机械臂鲁棒自适应控制[J]. , 2012, 48(21): 41-46.
[15]	张文辉;刘文艺;叶晓平;朱银法;胡小平. 自由漂浮空间机械臂基于神经网络的鲁棒自适应控制[J]. , 2012, 48(21): 36-40.