[發(fā)明專利]一種空間機械臂參數(shù)對運動可靠性影響比重的確定方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510824620.1
• 申請日: 2015-11-24
• 公開（公告）號: CN105354433A
• 公開（公告）日: 2016-02-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳鋼;李彤;賈慶軒;孫漢旭;郭雯;劉嘉駿
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及空間機械臂的可靠性分析，特別涉及一種空間機械臂參數(shù)對運動可靠性影響比重的確定方法。

背景技術(shù)

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，在軌應(yīng)用需求的日益增多，航天機構(gòu)產(chǎn)品呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢?？臻g機械臂作為一類操作負載高、定位操作精確、利用多種末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)多樣操作的航天機構(gòu)，已經(jīng)成為航天活動的關(guān)鍵產(chǎn)品。由于空間機械臂的工作環(huán)境具有強輻射、高溫差及超真空等特點，其在軌操作性能會受到較大影響。為了實時把握機械臂的在軌運動性能，需要對空間機械臂這一復(fù)雜系統(tǒng)進行運動可靠性分析。運動可靠性分析包括運動可靠度評估和運動可靠性影響因素的靈敏度分析。運動可靠度能夠定量描述機械臂系統(tǒng)綜合運動性能，而靈敏度分析結(jié)果則可以作為空間機械臂后續(xù)任務(wù)規(guī)劃和控制決策制定的理論依據(jù)。

目前，可靠性分析方法主要有一階可靠性方法、概率密度演化方法、模糊算法等方法。然而這些方法多用于分析機械臂結(jié)構(gòu)強度與載荷的影響，難以反映機械臂運動過程中的可靠性情況。針對機械臂的運動可靠性分析，將機械臂的運動可靠性闡述為運動學(xué)可靠性和動力學(xué)可靠性，現(xiàn)有分析中，均以求解機械臂的運動可靠度數(shù)值為目標，對可靠性的影響因素考慮較少或僅考慮了單一因素的影響，無法詳盡闡述機械臂運動可靠性的變化機理。同時由于考慮因素較少，因素的影響權(quán)重分析無法完全表征多因素的耦合影響，難于為機械臂后續(xù)任務(wù)規(guī)劃提供理論支撐。此外，現(xiàn)有方法均針對地面機器人，未能充分考慮空間機械臂的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和在軌任務(wù)約束。

另一方面，機械臂可靠性的靈敏度分析多集中于針對結(jié)構(gòu)可靠性的靈敏度分析，且靈敏度分析較為依賴于分析對象，需要根據(jù)對象特性提出相應(yīng)的靈敏度分析方法。Korayem基于移動機器人的柔性關(guān)節(jié)特性開展靈敏度分析；Guo針對變量的隨機和區(qū)間分布特性提出一種基于FORM改進的靈敏度分析方法。Helton提出了一種基于樣本的靈敏度分析方法，但該方法對樣本的需求量較大，效率較低。上述方法均不適用于空間機械臂運動可靠性的靈敏度分析。由于空間機械臂運動可靠性的函數(shù)形式為影響因素概率密度函數(shù)的多維積分，對空間機械臂運動過程中的靈敏度分析具有一定的實時性需求。因此，分析運動可靠性靈敏度時，需要考慮運動可靠性多維積分的特點，并建立一種能夠表征多因素耦合影響、樣本需求小、能夠?qū)崿F(xiàn)快速求解的靈敏度分析方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種空間機械臂參數(shù)對運動可靠性影響比重的確定方法，解決了基于運動可靠性優(yōu)化控制中各影響因素控制優(yōu)先度的定量表征的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種空間機械臂參數(shù)對運動可靠性影響比重的確定方法，步驟如下：

1)獲取空間機械臂運動可靠性影響因素集Θ；

2)建立以空間機械臂操作空間運動精度為表征的極限狀態(tài)函數(shù)：

g(Θ)＝|P^A(Θ)-P^D(Θ)|

其中，P^A(Θ)和P^D(Θ)分別表示機械臂實際位姿和理想位姿，Θ＝[x₁…x_n]^T表示運動可靠性的影響因素集，n表示影響因素的個數(shù)；

3)構(gòu)造非線性響應(yīng)面函數(shù)：

其中，a,b,c表示響應(yīng)面函數(shù)的常數(shù)系數(shù)，x_i表示第i個影響因素；通過使得非線性響應(yīng)面函數(shù)逼近極限狀態(tài)函數(shù)計算系數(shù)a,b,c的值；

4)基于響應(yīng)面函數(shù)構(gòu)造運動可靠度指標，求解各影響因素對運動可靠性的靈敏度：

定義運動可靠度指標β如下：

其中，μ_g和σ_g分別表示極限狀態(tài)函數(shù)g的數(shù)學(xué)期望和標準差；基于運動可靠度指標，得到運動可靠性的表征：

R＝Φ(β)

其中，Φ(·)表示標準的正態(tài)分布函數(shù)；則影響因素x_i對運動可靠性靈敏度通過如下方式求解：

式中各乘項可分別求解如下：

其中，表示標準正態(tài)分布的概率密度函數(shù)，則各影響因素x_i對運動可靠性的靈敏度為：

步驟2)中a,b,c的計算步驟如下：

21)通過初始實驗點獲取a,b,c的初始值