[發(fā)明專利]一種單關節(jié)故障空間機械臂位姿可達空間求解方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711006927.6
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107598929B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發(fā)明（設計）人: 賈慶軒;王宣;陳鋼;袁博楠;符穎卓;郭雯
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明實施例提供了一種單關節(jié)故障空間機械臂位姿可達空間求解方法，實現(xiàn)了任一關節(jié)故障鎖定后空間機械臂可達位姿退化情況的量化分析，包括：基于關節(jié)人為限位求解單關節(jié)故障鎖定的空間機械臂退化工作空間；構建姿態(tài)可達度指標，求解面向任務的空間機械臂期望姿態(tài)；綜合期望姿態(tài)與退化工作空間內各散點坐標構建機械臂末端位姿集，篩選其中存在逆解的位姿，獲得單關節(jié)故障的空間機械臂位姿可達空間。根據(jù)本發(fā)明實施例提供的技術方案，可以實現(xiàn)任一關節(jié)故障鎖定的空間機械臂位姿可達空間求解。

【技術領域】

本發(fā)明涉及一種單關節(jié)故障空間機械臂位姿可達空間求解方法，屬于空間機械臂容錯控制技術領域。

【背景技術】

隨著人類對太空探索的不斷深入，具有跨度大、操作靈活、負載能力強等特點的空間機械臂應用日益廣泛。但是工作環(huán)境的惡劣與關節(jié)結構的復雜，使得長期服役的空間機械臂發(fā)生關節(jié)故障的概率增大。機械臂在關節(jié)故障后仍能執(zhí)行同時考慮末端位置和姿態(tài)可達的在軌空載/負載操作，對太空探索任務的高質量完成具有至關重要的作用。因此，開展關節(jié)故障的空間機械臂末端位姿可達性的相關研究，對加快人類探索空間進度具有非常大的理論價值和現(xiàn)實意義。

空間機械臂通?；谕嘶ぷ骺臻g執(zhí)行關節(jié)故障鎖定后的空間操作任務，退化工作空間體積大小受故障關節(jié)鎖定角度影響，當故障關節(jié)鎖定至某些特殊角度時，工作空間嚴重退化導致空間機械臂可能無法完成后續(xù)任務。而且，退化工作空間不具有表征空間機械臂末端姿態(tài)可達性的特點，這將嚴重影響空間機械臂執(zhí)行對末端位置和姿態(tài)都有要求的空間操作任務。因此，建立可滿足后續(xù)任務位置可達性需求，且能夠同時表征機械臂末端姿態(tài)可達性的工作空間，即機械臂位姿可達空間，對于空間機械臂關節(jié)故障后仍能繼續(xù)完成后續(xù)操作任務具有至關重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內容】

有鑒于此，本發(fā)明實施例提供了單關節(jié)故障的空間機械臂位姿可達空間分析方法，所求位姿可達空間可為發(fā)生關節(jié)故障鎖定的空間機械臂同時考慮末端位置和姿態(tài)可達性的后續(xù)操作提供保障。

上述單關節(jié)故障空間機械臂位姿可達空間的求解過程中，用到的方法至少包括：

依據(jù)故障關節(jié)鎖定角度與空間機械臂退化工作空間體積之間的對應關系，以保證退化工作空間滿足后續(xù)任務需求為目標，基于牛頓-拉夫遜法解出每一關節(jié)的人為限位，即在機械臂處于常態(tài)時人為限定關節(jié)轉動范圍，基于各關節(jié)所求人為限位范圍，通過蒙特卡洛法求得單關節(jié)故障后空間機械臂的退化工作空間；

依據(jù)末端處于不同姿態(tài)時機械臂可達空間不同這一特點，構建姿態(tài)可達度指標，針對空間機械臂具體操作任務所對應的末端姿態(tài)變化范圍，基于姿態(tài)可達度指標求出其中不同姿態(tài)所對應的可達空間體積，選取最大可達空間對應的姿態(tài)作為空間機械臂面向任務的期望姿態(tài)；

依據(jù)所求退化工作空間中各散點位置坐標和期望姿態(tài)的組合，構建空間機械臂末端位姿集，基于解析法篩選位姿集中存在逆運動學解的位姿，由這些位姿所對應的散點組成機械臂位姿可達空間，以實現(xiàn)單關節(jié)故障空間機械臂的位姿可達空間求解。

上述求解過程中，計算單關節(jié)故障空間機械臂退化工作空間的過程包括：

第一步，基于D-H參數(shù)法建立n自由度空間機械臂運動學模型，無故障狀態(tài)下，令空間機械臂從基座到末端的各關節(jié)依次表示為J₁～J_n，各關節(jié)對應關節(jié)角度依次表示為θ₁～θ_n，各連桿依次表示為L₁～L_n；定義為連桿i-1和i之間的位姿轉換矩陣，則機械臂正運動學方程可表示為：

當空間機械臂關節(jié)k發(fā)生故障并鎖定在θ_k角度時，定義關節(jié)k后面各關節(jié)及各連桿編號在原有的基礎上減1，并增加上標“～”；將連桿L_k-1與L_k視為一個連桿，即基于常態(tài)下空間機械臂正運動學方程可得單關節(jié)故障的空間機械臂正運動學方程為：