月面采样机械臂遥操作仿真验证技术

作     者：杨成 李贵良 冯晓萌 刘传凯 刘茜 张弓 YANG Cheng;LI GuiLiang;FENG XiaoMeng;LIU ChuanKai;LIU Qian;ZHANG Gong

作者机构：航天飞行动力学技术重点实验室北京100094 北京航天飞行控制中心北京100094 

出 版 物：《中国科学：技术科学》 (Scientia Sinica(Technologica))

年 卷 期：2021年第51卷第12期

页      面：1480-1491页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 0701[理学-数学] 

基　　金：国家重点研发计划(编号:2020YFC2200902)项目资助。 

主　　题：月面采样 机械臂 规划验证 碰撞检测 

摘      要：利用机械臂对月面表层月壤进行表取采样,是进行月球原位探测的常用手段,然而受限于探测器和机械臂自身的自主化程度,采样操作过程需要在地面预先规划,经验证后形成指令序列上注至探测器控制机械臂操作.针对月面采样时间窗口紧、安全要求高、机械臂运动空间不规则的问题,本文提出了一种新的三维结构层次化表征模型和基于新表征模型的采样操作仿真验证方法,首先通过为三维部件设计顺序码,将三维模型快速自动构建为三维树状结构,实现对机械臂运动构型变化下的结构层次化动态表示;其次基于层次包围盒与分离轴思想设计了由粗到细的高效碰撞检测策略,实现了机械臂与探测器复杂外形的快速精确碰撞分析;再次建立了采样铲与模拟月壤的交互模型,通过对两类实体的简化接触模拟与铲挖交互仿真,实现了采样前后的月面形态变化表征和采样量的近似评估.最后通过实验结果验证了本文所述方法的有效性,实现了对月面采样操作过程进行可视化仿真验证支持,确保了机械臂操作的安全性和采样任务的高效性.