基于人工势场法的月球表层采样装置避障规划

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1、66中国空间科学技术2015年12月g垒i里竺曼eSpaceScienceandTechnology第6期基于人工势场法的月球表层采样装置避障规划郑燕红邓湘金彭兢姚猛赵志晖(北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要表层采样技术是获取地外天体土壤样品的重要手段，为在月表复杂地形、不确定着陆姿态、不规则器表包络约束下，快速获取安全的表层采样动态轨迹，文章根据四自由度表层采样装置设计，分析了工作过程中的正逆运动学关系；根据表层采样装置动、静态目标点运动要求，将约束空间分解为有效障碍检测区与不可达集，进行表层采样避障规划；为加快规划速度，针对表层采样装置瞬态构型构建了动态障碍检测区、动态

2、不可达集；结合人工势场法提出了避障规划算法。对典型姿态下表层采样过程的避障规划仿真表明，该算法可实现约束条件下的表层采样轨迹规划，并对表层采样装置适应性设计提供支持。关键词表层采样；机械臂；四自由度；避障规划；人工势场法；月球探测DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．06．0081引言中国探月工程确定了绕、落、回三步走的发展思路[1]，从月球上采集样品返回地球进行科学分析将是中国深空探测技术中重要的一步。美国先后发射的“海盗号”(Viking)、“勇气号”与“机遇号”(Spirit，Opportunity)、“凤凰号”(Phoenix)、“好奇号”(Curi

3、osity)火星探测器上均采用机械臂带动采样器或科学设备完成表层采样或科学探测，欧洲航天局(ESA)“猎兔犬2(Beagle2)着陆器也携带了四自由度机械臂获取火星表面基础数据，俄罗斯“福布斯”(PhobosGrunt)采样返回任务采用了机械冒配置吸纳式采样器完成“火卫一”表层土壤的获取[2]。目前计划实施的“奥特西斯”(OSIRIS)、“马可波罗”(MarcoPolo-R)等近地小行星采样返回任务也规划了机械臂与采样器配合完成表层采样工作。从国内外成功实施和计划实施的地外天体采样任务来看，表层采样技术是获得地外土壤样品的重要手段，开展表层采样关键技术研究，可为中国月球采样返回任务提供支

4、持。目前，表层采样装置通常采用二连杆机械臂配置采样器的形式，具有多个运动自由度口’4]，实现表层土壤样品采集与转移。机械臂的避障规划方法主要有Lozano—Perez提出的C空间方法[5]和Khatib提出的人工势场法嘲。文献[7]针对空间机械臂模型和障碍物模型进行了简化，得到了杆件与障碍物碰撞条件的解析表达式，将空间障碍映射到关节空间，并利用A。启发式搜索算法在自由空间进行了路径搜索；文献[8]利用人工势场法对采样器与月面岩石障碍物进行了避障规划，但未考虑与探测器表面安装设备的碰撞约束。本文针对四自由度表层采样装置设计，分析了工作过程中的正逆运动学关系，根据月球探测器构型布局及表取采样

5、任务的特点，归纳了在笛卡儿空间表层采样轨迹规划的约束；基于人工势场法提出了有效障碍检测区、局部不可达检测区、邻域不可达集相结合的避障规划算法；并针对水平姿态、倾斜姿态下表层采样过程，进行了轨迹规划仿真验证，可实现对障碍的规避，有效到达目标点。收稿日期：2015-0414。收修改稿日期：201507—272015年12月中国空间科学技术表层采样装置运动关系表层采样装置由如图1所示的4个旋转关节、2段连杆及采样器组成。表层采样装置通过关节的回转运动带动采样器到达期望采样点，实现对土壤样品的铲挖。在表层采样装置上建立基座坐标系0。X。y。Z。腰关节坐标系．，，X。y。Z。，肩关节坐标系J。X：

6、y：Z：，肘关节坐标系-，。X。y。Z3，腕关节坐标系J。X，ylZ．，为使图示更加简洁，图1中各坐标系均未绘制y轴。表层采样装置的DH(Denavit—Hartenberg)参数i9]见表l。图1表层采样装置示意Fig．1Surfacesamplingdevicesketch表1表层采样装置DH参数关节i扭角∞．连杆长度A。转角0，偏置d，1O001d12丌／2O巩d2一30A，晚d34OA304以根据表1所示DH参数定义，有变换阵：_1T：r。1T—O。——,sOtilCOti-1OAf_l—Sot，1d∞，ld，l式中c，，S，表示cos(O，)，sin(O。)；∞，一1表示COS

7、(Ot!_1)；SOtf_l表示sin(Ot。一1)。由表层采样装置相邻坐标系转换关系，可得腕关节坐标系至基座坐标系变换矩阵：：T—flf23Isf23‘523lO51A2f1。2+A3flf23+(d2+d3+d4)s—c1A2SlC2+A3S1c23一(d2+d3+d4)c0A2S2+A3s23+dl01(2)式中C：。，s：。，c23，，s：。；表示下标对应关节角相加的余弦或正弦。设[行，，行．，吼]，[D，，o，，Oz]，[