航天服手臂运动学建模及其关节力学特性的测试
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2 测量原理 ( Measuring principle)
基于测量机器人的航天服关节力学特性的测量 原理如图 1 所示. 随动式测量机器人为六自由度串 联机构 ,各关节均为转动关节并装有高精度光电码 盘用于测量转角 ,机器人末端装有六维力/ 力矩传感 器并与航天服手臂末端相连接.
个关节的阻尼力矩[5 ] .
第 26 卷第 3 2004 年 5 月
期
机器人
ROBOT
Vo l.M26ay,
No. 3 ,2004
文章编号 : 100220446 (2004) 0320212206
航天服手臂运动学建模及其关节力学特性的测试 Ξ
王 昊 , 金明河 , 高晓辉 , 杜立彬 , 赵京东 , 刘 宏
航天服关节力学特性的测试传统上采用内置或 外置直接测量方法[3 ,4 ] . 外置法通过与航天服相连的 装有力矩传感器和测角仪器的测量装置对航天服的 每个关节进行单独测量 ,这种测量方法操作繁琐 ,且 无法对关节的组合优化 、匹配策略等整体设计给出 系统的参考. 内置法将整个测量及驱动装置放入航
Ξ 收稿日期 :2003 - 10 - 23
i
αi - 1
ai - 1
1
0°
0
2
- 90°
0
3
90°
- Ls
4
- 90°
0
5
90°
0
di
0 0 L a (θ4) 0 L b (θ4)
θi θ1 θ2 θ3 (常数) θ4 θ5
航天服手臂各关节间的齐次变换矩阵如下 , 其
中 cos = c ,sin = s 为 :
cθi
- sθi
A
i i
-
其雅可比矩阵 ;最后 ,由力/ 力矩传感器测得的航天
服手臂末端的六维力/ 力矩数值和航天服各关节的
转角 ,通过雅可比矩阵计算出航天服各关节的阻尼
力矩 :
τ = JTF
(1)
式中 J 即为基于航天服手臂模型的雅可比矩
阵 , F 为航天服手臂末端的六维力/ 力矩向量.
3 舱内航天服手臂建模 ( Modeling the IVA spacesuitπs arm)
舱内航天服手臂具有 4 个自由度 ,分别为肩部 的外展/ 内收关节和伸展/ 弯曲关节 、肘部的伸展/ 弯 曲关节以及腕部的旋转关节.
图 2 为建立舱内航天服手臂坐标系的示意图.
图 1 系统测试原理示意图 Fig. 1 Measuring principle of t he passive robot system
1
=
sθicαi - 1 sθisαi - 1
cθicαi - 1 cθisαi - 1
0 - sαi - 1 cαi - 1
ai - 1
- sαi - 1 di cαi - 1 di
0
0
0
1
从 航 天 服 的 基 坐 标 系 到 其 末 端 点 的 变 换 矩 阵
为:
T
=
A
1 0
A
2 1
A
3 2
计算过程分为四个步骤 :首先 ,利用机器人关节
码盘测得的关节角度 ,通过运动学正运算求解机器
人末端与航天服手臂末端在机器人坐标系中的位置
和姿态 ,并通过坐标变换求解航天服手臂末端在其
本身坐标系中的位姿 ;第二 ,由以上求得的航天服手
臂末端的位姿 ,通过运动学逆运算求解航天服各关
节的转角 ;第三 ,根据所建立的航天服手臂模型计算
L a (θ4)
=
L a0
+
Lr
θ4
t
g
θ4 2
(3)
L b (θ4)
=
L b0
+ຫໍສະໝຸດ Baidu
Lr
θ4
t
g
θ4 2
(4)
式中 , L a0 、L b0 分别为上臂和前臂的非软关节
部分的长度 , L r 为肘部软关节的长度.
由此得航天服右臂的 D2H 参数如表 1 所示.
表 1 航天服右臂 D2H参数 Table 1 D2H parameters of the spacesuitπs right arm
其中 ab 为限制部分 ,长度保持不变 , O 为 ab 的
中点 ,在关节没有弯曲的时候 , 该点位于关节轴的中
心位置. 当关节弯曲时 , ab 变为圆弧 (长度不变) ,弯曲
θ4 角的时候 ,轴由 O 移到 O′, L a 和 L b 增加. 其中 :
aO′=
bO′=
Lr
θ4
t
g
θ4 2
(2)
有:
第 26 卷第 3 期
王 昊等 : 航天服手臂运动学建模及其关节力学特性的测试
213
天服内 ,通过驱动装置的运动由内置的传感器直接 测试关节角度与关节力矩的变化关系[4 ] ,这种测量 方法只适合单一型号航天服的测量 ,对于不同尺寸 的航天服需要设计不同的测量装置 ,而且还会带来 操作的安全性和航天服内卫生等问题.
测试时操作者推动测量机器人末端的把手运动 从而带动航天服手臂随之运动 ,航天服手臂各个关 节的位姿变化反映到了测量机器人各个关节的位姿 变化上 ,而航天服手臂各个关节的阻尼力矩则反映 到了机器人末端的六维力/ 力矩传感器上. 根据航天 服与测量机器人之间的运动学关系 ,通过运动学的 正逆运算推算出航天服手臂各个关节的转角 ,再通 过雅可比矩阵 (雅可比矩阵建立了航天服手臂末端 受力与其各关节角度的关系) 计算出航天服手臂各
1 引言( Introduction)
航天服除了要确保航天员在空间环境中的安全 外 ,还要为其各种空间操作提供较灵活的活动性能. 随着航天事业的发展 ,航天员的工作范围正在不断 地扩大 ,工作活动也逐渐变得越来越复杂. 因此 ,航 天服的活动性能已成为其最重要的性能指标之一.
对舱内航天服的活动性能要求主要体现在上肢 的灵活性. 舱内航天服的活动性部件主要包括肩部 和肘部的弯曲关节以及腕部的旋转关节 (手指的活 动性除外) . 航天服的活动性能由这些关节的力学特 性决定 ,要求这些关节有尽可能低的活动力矩和尽 量大的有效活动范围. 但由于航天服真空防护所造 成的余压 (服内外的压差) 作用 ,当航天员活动时航 天服不可避免地要产生相当大的阻力矩. 该阻力矩 直接与设计结构和加工工艺水平相关 ,需要对其进
虽然充气状态下的航天服手臂各部分非常接近 于刚体 ,但它并不是严格的刚性连杆 ,在肘部伸展/ 弯曲关节的关节角度变化时 ,其旋转中心也同时发 生移动 ,这样的手臂关节被称为软关节.
航天服手臂的数学模型必须考虑软关节的转动 特性. 图 3 为肘部软关节的示意图.
图 3 肘部软关节示意图 Fig. 3 Schematic diagram of t he flexible elbow joint
A
4 3
A
5 4
(5)
4 基于神经网络的逆运动学 ( Inverse kine2
matics based on neural net works)
航天服关节角度的逆运算是整个计算过程中的 难点. 如前面所述 , 航天服上臂和前臂的长度 L a 和 L b 是随关节角度变化的函数 , 且函数中带有三角函 数这一超越函数. 应用传统的解析方法无法推导航 天服各关节角度的表达式. 针对这一问题 , 本文提出 基于神经网络的航天服逆运动学计算方法.
WAN G Hao , J IN Ming2he , GAO Xiao2hui , DU Li2bin , ZHAO J ing2dong , L IU Hong
( Robot Research I nstit ute , Harbi n I nstit ute of Technology , Harbi n 150001 , Chi na)
关键词 : 航天服 ; 随动式机器人 ; 软关节 ; 力学特性 ; 神经网络 中图分类号 : TP24 文献标识码 : B
Modeling of Spacesuitπs Arm Based on Kinematics and Measurement of Mechanical Characteristics of its Joint
行测评以获得航天服关节的力学特性 ,用于为航天 服的关节设计 、检验提供客观准确的评价指标.
随着载人航天的深入发展 ,航天服工效学的研 究在航天医学领域受到人们普遍的重视. 研究航天 员在空间环境中关节活动必需的力学要求 ,解决姿 态和活动性能 ,减少人体费力 、疲劳与耗能 ,以及由 此而引起的心理生理障碍 ,是这项研究的主要方向 之一[1 ,2 ] . 因此 ,研究航天服关节力学特性的测试已 成为航天服研制过程中必不可少的一项工作.
图 2 舱内航天服右臂坐标系 Fig. 2 Coordinates of t he IVA spacesuitπs right arm
图中 L s 为航天服肩部的宽度 , L a 、L b 分别为
214
机 器 人
2004 年 5 月
航天服上臂和前臂的长度. 虽然航天服的自由度为 4 个 ,但是为了更精确的建模以及坐标变换方便 ,在 此建立了 5 个坐标系 ,其中第 3 个坐标系的关节角 度是确定的 ,角度值跟航天服自身的制作有关.
本文论述的基于测量机器人的间接测量方法能 够实现对航天服多个关节力矩的同时测量. 这种方 法对航天服不会产生任何损害 ,对于操作员也具有 很高的安全性 ,方便实际测量 、易于维护 ,并且能够 适应不同种类和不同尺寸的航天服.
这种新方法的测量原理在文献[ 5 ] 中已经有较 详细的介绍. 本文将在此基础上继续深入研究 ,提出 进一步的改进算法 ,并对测量实验结果进行分析和 论证.
(哈尔滨工业大学机器人研究所 , 黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要 : 介绍基于随动式测量机器人的航天服关节力学特性测量原理 ,根据舱内航天服手臂的特性建立基于 机器人运动学的数学模型 ,提出基于神经网络的逆运动学算法进行航天服关节角度的计算 ,并采用基于泛化能力的 网络构造算法进行神经网络拓扑结构的优化设计. 通过实际舱内航天服手臂的关节力学特性测试实验验证测量原 理和计算方法.
舱内航天服为全封闭软式仿人形结构 ,使用时 航天员全身套在服装中 ,充气后的航天服形成了一 个安全的气压环境 ,以保障航天员的生命安全. 进行 关节力学特性测试时 ,航天服充至工作气压 ,即服内 外压差为 0. 04Mpa. 此时的航天服手臂各部分非常 接近于刚体 ,可看作一个近似的多连杆机构 ,应用传 统的 Denavit2Hartenberg 参数表示法建立基于机器 人运动学的数学模型[6 ] .
Abstract : A met hod to measure t he spacesuit jointsπ mechanical characteristics based on passive robot is given in t his pa2 per. Based on its special mechanical structure , a kinematic model of t he IVA (intra2vehicular activity) spacesuitπs arm is built . The inverse kinematics of spacesuitπs arm based on artificial neural networks is put forward , and t he constructional algorit hm of t he network architecture based on t he generalization ability is developed. The jointsπ mechanical characterstics of an actual IVA spacesuitπs arm is measured. Experimental results prove t he effectiveness of t he measuring principle and t he proposed algorit hm. Keywords : spacesuit ; passive robot ; flexible joint ; mechanical characteristics ; neural network
逆运动学问题实质上就是由航天服手臂末端的 操作空间向关节空间的逆向非线性映射问题 , 多层 前馈神经网络具有理论上可逼近任意非线性连续映 射的能力 ,因而非常适合于这一问题的求解. 具体方 法是 :将航天服手臂末端的位置 ( x , y , z ) 与用欧拉 角表示的末端姿态 (α,β,γ) 6 个变量作为输入 ,将待 求的手臂各关节的角度 (θ1 ,θ2 ,θ4 ,θ5) 作为输出 , 构 成如图 4 所示的 6 输入 4 输出的多层前馈网络. 在 各关节角度的取值范围内均匀选取多组角度值 , 根 据以上所述的手臂模型由正运动学计算出各组关节 角度对应的手臂末端的位置和姿态 , 规范化处理后 作为网络的训练样本集.
基于测量机器人的航天服关节力学特性的测量 原理如图 1 所示. 随动式测量机器人为六自由度串 联机构 ,各关节均为转动关节并装有高精度光电码 盘用于测量转角 ,机器人末端装有六维力/ 力矩传感 器并与航天服手臂末端相连接.
个关节的阻尼力矩[5 ] .
第 26 卷第 3 2004 年 5 月
期
机器人
ROBOT
Vo l.M26ay,
No. 3 ,2004
文章编号 : 100220446 (2004) 0320212206
航天服手臂运动学建模及其关节力学特性的测试 Ξ
王 昊 , 金明河 , 高晓辉 , 杜立彬 , 赵京东 , 刘 宏
航天服关节力学特性的测试传统上采用内置或 外置直接测量方法[3 ,4 ] . 外置法通过与航天服相连的 装有力矩传感器和测角仪器的测量装置对航天服的 每个关节进行单独测量 ,这种测量方法操作繁琐 ,且 无法对关节的组合优化 、匹配策略等整体设计给出 系统的参考. 内置法将整个测量及驱动装置放入航
Ξ 收稿日期 :2003 - 10 - 23
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αi - 1
ai - 1
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0°
0
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- 90°
0
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- 90°
0
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0
di
0 0 L a (θ4) 0 L b (θ4)
θi θ1 θ2 θ3 (常数) θ4 θ5
航天服手臂各关节间的齐次变换矩阵如下 , 其
中 cos = c ,sin = s 为 :
cθi
- sθi
A
i i
-
其雅可比矩阵 ;最后 ,由力/ 力矩传感器测得的航天
服手臂末端的六维力/ 力矩数值和航天服各关节的
转角 ,通过雅可比矩阵计算出航天服各关节的阻尼
力矩 :
τ = JTF
(1)
式中 J 即为基于航天服手臂模型的雅可比矩
阵 , F 为航天服手臂末端的六维力/ 力矩向量.
3 舱内航天服手臂建模 ( Modeling the IVA spacesuitπs arm)
舱内航天服手臂具有 4 个自由度 ,分别为肩部 的外展/ 内收关节和伸展/ 弯曲关节 、肘部的伸展/ 弯 曲关节以及腕部的旋转关节.
图 2 为建立舱内航天服手臂坐标系的示意图.
图 1 系统测试原理示意图 Fig. 1 Measuring principle of t he passive robot system
1
=
sθicαi - 1 sθisαi - 1
cθicαi - 1 cθisαi - 1
0 - sαi - 1 cαi - 1
ai - 1
- sαi - 1 di cαi - 1 di
0
0
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从 航 天 服 的 基 坐 标 系 到 其 末 端 点 的 变 换 矩 阵
为:
T
=
A
1 0
A
2 1
A
3 2
计算过程分为四个步骤 :首先 ,利用机器人关节
码盘测得的关节角度 ,通过运动学正运算求解机器
人末端与航天服手臂末端在机器人坐标系中的位置
和姿态 ,并通过坐标变换求解航天服手臂末端在其
本身坐标系中的位姿 ;第二 ,由以上求得的航天服手
臂末端的位姿 ,通过运动学逆运算求解航天服各关
节的转角 ;第三 ,根据所建立的航天服手臂模型计算
L a (θ4)
=
L a0
+
Lr
θ4
t
g
θ4 2
(3)
L b (θ4)
=
L b0
+ຫໍສະໝຸດ Baidu
Lr
θ4
t
g
θ4 2
(4)
式中 , L a0 、L b0 分别为上臂和前臂的非软关节
部分的长度 , L r 为肘部软关节的长度.
由此得航天服右臂的 D2H 参数如表 1 所示.
表 1 航天服右臂 D2H参数 Table 1 D2H parameters of the spacesuitπs right arm
其中 ab 为限制部分 ,长度保持不变 , O 为 ab 的
中点 ,在关节没有弯曲的时候 , 该点位于关节轴的中
心位置. 当关节弯曲时 , ab 变为圆弧 (长度不变) ,弯曲
θ4 角的时候 ,轴由 O 移到 O′, L a 和 L b 增加. 其中 :
aO′=
bO′=
Lr
θ4
t
g
θ4 2
(2)
有:
第 26 卷第 3 期
王 昊等 : 航天服手臂运动学建模及其关节力学特性的测试
213
天服内 ,通过驱动装置的运动由内置的传感器直接 测试关节角度与关节力矩的变化关系[4 ] ,这种测量 方法只适合单一型号航天服的测量 ,对于不同尺寸 的航天服需要设计不同的测量装置 ,而且还会带来 操作的安全性和航天服内卫生等问题.
测试时操作者推动测量机器人末端的把手运动 从而带动航天服手臂随之运动 ,航天服手臂各个关 节的位姿变化反映到了测量机器人各个关节的位姿 变化上 ,而航天服手臂各个关节的阻尼力矩则反映 到了机器人末端的六维力/ 力矩传感器上. 根据航天 服与测量机器人之间的运动学关系 ,通过运动学的 正逆运算推算出航天服手臂各个关节的转角 ,再通 过雅可比矩阵 (雅可比矩阵建立了航天服手臂末端 受力与其各关节角度的关系) 计算出航天服手臂各
1 引言( Introduction)
航天服除了要确保航天员在空间环境中的安全 外 ,还要为其各种空间操作提供较灵活的活动性能. 随着航天事业的发展 ,航天员的工作范围正在不断 地扩大 ,工作活动也逐渐变得越来越复杂. 因此 ,航 天服的活动性能已成为其最重要的性能指标之一.
对舱内航天服的活动性能要求主要体现在上肢 的灵活性. 舱内航天服的活动性部件主要包括肩部 和肘部的弯曲关节以及腕部的旋转关节 (手指的活 动性除外) . 航天服的活动性能由这些关节的力学特 性决定 ,要求这些关节有尽可能低的活动力矩和尽 量大的有效活动范围. 但由于航天服真空防护所造 成的余压 (服内外的压差) 作用 ,当航天员活动时航 天服不可避免地要产生相当大的阻力矩. 该阻力矩 直接与设计结构和加工工艺水平相关 ,需要对其进
虽然充气状态下的航天服手臂各部分非常接近 于刚体 ,但它并不是严格的刚性连杆 ,在肘部伸展/ 弯曲关节的关节角度变化时 ,其旋转中心也同时发 生移动 ,这样的手臂关节被称为软关节.
航天服手臂的数学模型必须考虑软关节的转动 特性. 图 3 为肘部软关节的示意图.
图 3 肘部软关节示意图 Fig. 3 Schematic diagram of t he flexible elbow joint
A
4 3
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5 4
(5)
4 基于神经网络的逆运动学 ( Inverse kine2
matics based on neural net works)
航天服关节角度的逆运算是整个计算过程中的 难点. 如前面所述 , 航天服上臂和前臂的长度 L a 和 L b 是随关节角度变化的函数 , 且函数中带有三角函 数这一超越函数. 应用传统的解析方法无法推导航 天服各关节角度的表达式. 针对这一问题 , 本文提出 基于神经网络的航天服逆运动学计算方法.
WAN G Hao , J IN Ming2he , GAO Xiao2hui , DU Li2bin , ZHAO J ing2dong , L IU Hong
( Robot Research I nstit ute , Harbi n I nstit ute of Technology , Harbi n 150001 , Chi na)
关键词 : 航天服 ; 随动式机器人 ; 软关节 ; 力学特性 ; 神经网络 中图分类号 : TP24 文献标识码 : B
Modeling of Spacesuitπs Arm Based on Kinematics and Measurement of Mechanical Characteristics of its Joint
行测评以获得航天服关节的力学特性 ,用于为航天 服的关节设计 、检验提供客观准确的评价指标.
随着载人航天的深入发展 ,航天服工效学的研 究在航天医学领域受到人们普遍的重视. 研究航天 员在空间环境中关节活动必需的力学要求 ,解决姿 态和活动性能 ,减少人体费力 、疲劳与耗能 ,以及由 此而引起的心理生理障碍 ,是这项研究的主要方向 之一[1 ,2 ] . 因此 ,研究航天服关节力学特性的测试已 成为航天服研制过程中必不可少的一项工作.
图 2 舱内航天服右臂坐标系 Fig. 2 Coordinates of t he IVA spacesuitπs right arm
图中 L s 为航天服肩部的宽度 , L a 、L b 分别为
214
机 器 人
2004 年 5 月
航天服上臂和前臂的长度. 虽然航天服的自由度为 4 个 ,但是为了更精确的建模以及坐标变换方便 ,在 此建立了 5 个坐标系 ,其中第 3 个坐标系的关节角 度是确定的 ,角度值跟航天服自身的制作有关.
本文论述的基于测量机器人的间接测量方法能 够实现对航天服多个关节力矩的同时测量. 这种方 法对航天服不会产生任何损害 ,对于操作员也具有 很高的安全性 ,方便实际测量 、易于维护 ,并且能够 适应不同种类和不同尺寸的航天服.
这种新方法的测量原理在文献[ 5 ] 中已经有较 详细的介绍. 本文将在此基础上继续深入研究 ,提出 进一步的改进算法 ,并对测量实验结果进行分析和 论证.
(哈尔滨工业大学机器人研究所 , 黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要 : 介绍基于随动式测量机器人的航天服关节力学特性测量原理 ,根据舱内航天服手臂的特性建立基于 机器人运动学的数学模型 ,提出基于神经网络的逆运动学算法进行航天服关节角度的计算 ,并采用基于泛化能力的 网络构造算法进行神经网络拓扑结构的优化设计. 通过实际舱内航天服手臂的关节力学特性测试实验验证测量原 理和计算方法.
舱内航天服为全封闭软式仿人形结构 ,使用时 航天员全身套在服装中 ,充气后的航天服形成了一 个安全的气压环境 ,以保障航天员的生命安全. 进行 关节力学特性测试时 ,航天服充至工作气压 ,即服内 外压差为 0. 04Mpa. 此时的航天服手臂各部分非常 接近于刚体 ,可看作一个近似的多连杆机构 ,应用传 统的 Denavit2Hartenberg 参数表示法建立基于机器 人运动学的数学模型[6 ] .
Abstract : A met hod to measure t he spacesuit jointsπ mechanical characteristics based on passive robot is given in t his pa2 per. Based on its special mechanical structure , a kinematic model of t he IVA (intra2vehicular activity) spacesuitπs arm is built . The inverse kinematics of spacesuitπs arm based on artificial neural networks is put forward , and t he constructional algorit hm of t he network architecture based on t he generalization ability is developed. The jointsπ mechanical characterstics of an actual IVA spacesuitπs arm is measured. Experimental results prove t he effectiveness of t he measuring principle and t he proposed algorit hm. Keywords : spacesuit ; passive robot ; flexible joint ; mechanical characteristics ; neural network
逆运动学问题实质上就是由航天服手臂末端的 操作空间向关节空间的逆向非线性映射问题 , 多层 前馈神经网络具有理论上可逼近任意非线性连续映 射的能力 ,因而非常适合于这一问题的求解. 具体方 法是 :将航天服手臂末端的位置 ( x , y , z ) 与用欧拉 角表示的末端姿态 (α,β,γ) 6 个变量作为输入 ,将待 求的手臂各关节的角度 (θ1 ,θ2 ,θ4 ,θ5) 作为输出 , 构 成如图 4 所示的 6 输入 4 输出的多层前馈网络. 在 各关节角度的取值范围内均匀选取多组角度值 , 根 据以上所述的手臂模型由正运动学计算出各组关节 角度对应的手臂末端的位置和姿态 , 规范化处理后 作为网络的训练样本集.