[發明專利]一種空間機械臂故障關節最優鎖定角度求解方法

在審

• 申請號: 201711007220.7
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107627305A
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發明（設計）人: 陳鋼;袁博楠;賈慶軒;王宣;符穎卓;劉丹
• 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

【技術領域】

本發明涉及一種滿足綜合運動性能要求的空間機械臂自由擺動故障關節最優鎖定角度求解方法，屬于空間機械臂故障處理技術領域。

【背景技術】

太空環境的惡劣與關節結構的復雜，使長期服役的空間機械臂不可避免會發生關節故障。關節故障類型主要分為鎖定與自由擺動，針對發生關節自由擺動故障的空間機械臂，將故障關節鎖定在機械臂運動性能滿足要求的角度，對于空間機械臂發生故障后仍能繼續完成在軌操作任務至關重要。因此，開展空間機械臂故障關節最優鎖定角度的相關研究，對人類完成太空探索非常關鍵。

現有針對空間機械臂自由擺動故障關節最優鎖定角度求解的研究很少，由于鎖定角度不同導致空間機械臂綜合運動性能不同，當故障關節鎖定在一些特殊角度時機械臂關節空間和操作空間運動性能會變得非常低，進而可能導致退化機械臂無法繼續完成后續操作任務，因此，在保證關節空間和操作空間運動性能都盡可能高的前提下，完成空間機械臂自由擺動故障關節最優鎖定角度的求解，對于空間機械臂發生關節自由擺動故障后仍能繼續完成后續空間任務具有至關重要的現實意義。

【發明內容】

有鑒于此，本發明實施例提供了一種空間機械臂故障關節最優鎖定角度求解方法，所提方法可為空間機械臂關節自由擺動故障的處理提供保障。

上述空間機械臂故障關節最優鎖定角度的求解過程中，用到的方法至少包括：

依據關節空間不同運動性能指標的表征特性，如最小奇異值可表征機械臂最差運動方向上的運動能力、條件數可表征機械臂各個方向上運動性能的接近程度等，選取多個指標，使其綜合之后能夠表征空間機械臂關節空間的綜合運動性能，對所選指標進行歸一化處理，以使各指標取值范圍相同，并將各指標綜合為一個指標，即空間機械臂關節空間綜合運動性能指標；

依據解析法逆解故障關節鎖定在不同角度時所對應的空間機械臂構型，組合所有構型以形成單關節故障空間機械臂構型集，基于所構造的綜合運動性能指標，計算所得構型集中所有構型對應的空間機械臂綜合運動性能，選取滿足綜合運動性能要求的構型以形成空間機械臂優選構型集；

依據蒙特卡洛法求解故障關節鎖定在優選構型集對應的不同鎖定角度時空間機械臂的退化工作空間，通過柵格化處理求解所得退化工作空間的體積，選取最大退化工作空間體積對應的鎖定角度作為故障關節的最優鎖定角度，以實現空間機械臂自由擺動故障關節最優鎖定角度的求解。

上述求解過程中，構造空間機械臂關節空間綜合運動性能指標的過程包括：

第一步：基于關節空間不同運動性能指標的表征特性，選取多個指標，使其能夠表征空間機械臂關節空間的綜合運動性能；空間機械臂關節空間的運動性能指標包括最小奇異值、條件數、可操作度等，其中，最小奇異值定義為雅可比矩陣奇異值中的最小值，條件數定義為雅可比矩陣奇異值中最大奇異值與最小奇異值的比值，可操作度定義為雅可比矩陣所有非零奇異值的乘積；

采用J表示空間機械臂的雅可比矩陣，對雅可比矩陣J進行奇異值分解，如下式所示：

J＝UΣV

上式中，U表示m×m維正交矩陣，V表示n×n維正交矩陣，m表示工作空間維度，n表示空間機械臂自由度數，Σ表示對角線為非負實數的m×n維對角陣，且Σ具有如下形式：

基于奇異值分解特性可知，Σ中的σ₁,σ₂,…,σ_m滿足σ₁＞σ₂＞…＞σ_m，其中，σ_m表示最小奇異值；

基于所求雅可比矩陣奇異值σ₁,σ₂,…,σ_m及空間機械臂各指標的定義，可將最小奇異值、條件數、可操作度等指標依次表示為：

基于上式可知，最小奇異值s可用于表征機械臂最差運動方向上的運動能力，s越大，表示空間機械臂最差運動方向上的運動性能越高；條件數c可用于表征機械臂各個方向上運動性能的接近程度，c越小，表示空間機械臂各個運動方向上的運動性能越接近；可操作度ω可用于表征機械臂全方位操作靈活度的高低，ω越大，表示空間機械臂全方位操作靈活度越高；