[發明專利]一種基于可操作性的空間機械臂結構參數優化方法

有效

• 申請號: 201410572960.5
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104331547A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 湯亮;何英姿;賈世元;唐強;賈永
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

技術領域

本發明涉及一種六自由度或冗余空間機械臂的結構設計方法。

背景技術

從二十世紀五十年代以來，各式各樣的航天器，如衛星、航天飛機、空間站以及各式的探測器被發射升空，對于這些航天器的在軌維護與回收就成為必不可少的工作。如果將一些超出服役期或出現故障的在軌航天器利用空間機械臂進行回收、維護、再利用，可以節約大量的人力資源和資金。為了使機械臂具有較好的靈活性和可操作性，滿足在空間執行多任務的要求，同時使機械臂具有更好的通用性，進一步降低整個航天任務的成本，機械臂的優化設計顯得尤為重要。大多數空間機械臂為具有六自由度或冗余的機械臂，這里的冗余是指機械臂具有六個以上的自由度。多自由度機械臂能夠使末端作用器到達指定的位置姿態之外，還能夠較好的規避與障礙物或衛星本體的碰撞。

在機械臂優化設計方面，根據目標和任務的不同，機械臂構型設計一般也不相同。對于工業機器人而言，大多任務簡單，重復執行單一操作，因此在構型設計上較為簡單，不需要機械臂有特別好的靈活性，只要能夠完成任務即可，大多數早期機械臂都是在運動學可逆性約束下設計出來的。這些機械臂的設計大多以工作空間為設計準則，工作空間準則只能確定機械臂工作空間的大小，不能體現機械臂在工作空間內的靈活性。之后有學者將機械臂雅克比矩陣的條件數作為首要考慮因素進行機械臂設計，雅克比矩陣的條件數作為設計準則滿足了機械臂設計運動學可逆性要求，但是雅克比矩陣條件數是一個局部條件指標，因此不能作為機械臂設計的全局性能指標。繼而，又有學者提出了將雅克比矩陣條件數和工作空間相結合的機械臂設計全局條件指標(globle?conditioning?index，GCI)。GCI是一種基于雅克比矩陣條件數在整個機械臂工作空間上分布的性能指標，它可以在整個工作空間上衡量機械手的運動學可逆性，但全局條件指標在條件數為非光滑曲線時，其計算值會偏離實際值；另外，對于六自由度或冗余機械臂而言，全局條件指標不易求取。

上述方法均以機械臂運動學可逆準則及工作空間準則設計機械臂，不能體現機械臂在工作空間內的靈活性問題；而條件數準則是一個局部性能指標，不能作為機械臂的全局設計指標；雖然全局條件指標能夠在整個工作空間上衡量機械手的運動學可逆性，但這一指標在少自由度機械臂上應用比較方便，對于六自由度或冗余機械臂而言，很難求得其表達式，因此需要研究基于靈活性的多構型機械臂優化設計方法。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于可操作性的空間機械臂結構參數優化方法，以可操作度作為定量指標，利用遺傳算法迭代優化機械臂的結構參數，能夠使得機械臂的可操作度達到最優。

本發明的技術解決方案是：一種基于可操作性的空間機械臂結構參數優化方法，包括如下步驟：

(1)確定空間機械臂的自由度布局及臂桿的初始參數；所述的空間機械臂由肩關節、肘關節和腕關節組成，其中腕關節連接末端作用器；對于六自由度空間機械臂，在肘關節處分配一個自由度，在肩關節處分配兩個或三個自由度，其余自由度分配到腕關節處；對于冗余空間機械臂，根據六自由度機械臂的分配情況，將多余的自由度分配到三個關節中的一個關節或者多個關節上；相鄰兩自由度間采用臂桿連接，根據機械臂執行任務的需要及確定的自由度布局，得到空間機械臂的總長度并隨機分配到各節臂桿上，得到各臂桿的初始參數；

(2)運用機械臂正向運動學，利用數值方法確定空間機械臂的可達工作空間；所述的工作空間為球形，球心位于肩關節安裝點處，過球心的圓形橫截面為空間機械臂的對稱面；

(3)將步驟(2)中的可達工作空間的對稱面取上半圓部分，并分割成c×c個子區域，c為正整數，然后對每一個子區域分別執行以下步驟(31)～(35)的操作：

(31)確定子區域的中心點；

(32)以子區域的中心點為球心，末端作用器的原始長度為半徑，作工作球；

(33)取子區域的中心點作為末端作用器到達該子區域的工作點，同時在工作球上隨機取N個點作為腕關節的位置；

(34)通過軌跡規劃，判斷末端作用器到達該子區域的工作點且工作球姿態滿足要求的次數n；所述的工作球姿態是指由腕關節位置點指向子區域工作點的向量；

(35)得到該子區域的靈活性姿概率系數為n/N；

將得到的各子區域的靈活性姿概率系數繪制在一張圖上，得到整個可達工作空間的靈活性工作空間圖；