[發明專利]一種采用蒙特卡洛方法確定機械臂關節行程的方法

在審

• 申請號: 202211200214.4
• 申請日: 2022-09-29
• 公開（公告）號: CN115470452A
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 葉立軍;朱文山;尹海寧;何毅杰;張燦恒;李芳華;范蕾懿
• 申請（專利權）人: 上海航天控制技術研究所
• 主分類號: G06F17/16
• 分類號: G06F17/16;G06F17/18;B25J9/16
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 徐雯瓊;張雙紅

本發明涉及一種采用蒙特卡洛方法確定機械臂關節行程的方法，包含以下步驟：步驟1、確定機械臂的位姿約束，位姿約束包含機械臂末端位置的活動范圍和指向范圍；步驟2、根據包含機械臂各相鄰關節旋轉軸之間夾角的機械臂構型參數，構建機械臂逆運動方程；步驟3、包含不同關節角信息的機械臂某個狀態作為一個蒙特卡洛樣本點，根據機械臂的位姿約束以及逆運動方程，計算出不同蒙特卡洛樣本點中各關節角信息集合，該關節角信息集合包含了機械臂中不同關節的行程包絡。本發明可在機械臂構型已知的情況下，以某個指定的概率確定組成機械臂關節單元行程包絡，以指導機械臂關節形成包絡的精細化設計。

技術領域

本發明涉及一種采用蒙特卡洛方法確定機械臂關節行程的方法。

背景技術

采用機械臂加推力器的衛星姿軌一體化控制，利用機械臂末端位姿主動調整能力的特點，有多種優勢包括，由于推力器位置和方位指向均可主動調節，對推力器個數需求少，理論上僅一臺推力器即可實現姿軌一體化控制；可綜合機械臂末端位姿調整，實現所需的任意指向推力，衛星燃料利用率最高；對于有姿態機動或姿態偏置需求的衛星，采用機械臂位姿主動控制，可以實時抵消衛星姿態，可在姿態機動或姿態偏置期間正常執行既定姿軌一體化控制任務。

根據機械臂結構參數(如組成機械臂的臂桿長度等)，設計機械臂控制率時，若機械臂行程約束太緊，會影響機械臂正常效能發揮；若機械臂行程約束太松，可能會有機械臂與星體碰撞的安全風險。因此，為了在不影響機械臂任務正常執行情況下，提高機械臂控制的安全性，需對機械臂關節行程進行評估，并進行適當約束。

然而，對于一個n(4≤n≤6，若n4，機械臂不足以實現位姿同時控制；若n6,機械臂關節存在多解，不能用于評估關節行程范圍)個關節機械臂系統，根據機械臂末端位姿狀態計算關節參數的過程，本質上是對一個n元超越方程求解的過程，可用多參數梯度優化算法解決該問題。因此，計算機械臂關節角度無明確的解析解，計算過程比較冗長，基于正常分析法無法得到機械臂關節的形成包絡情況。

發明內容

針對上述問題，提出了一種采用蒙特卡洛方法確定機械臂關節行程的方法。蒙特卡洛方法也稱統計模擬方法，是二十世紀四十年代中期由于科學技術的發展和電子計算機的發明，而被提出的一種以概率統計理論為指導的一類非常重要的數值計算方法。它是以概率統計理論為基礎，依據大數定律(樣本均值代替總體均值)，利用電子計算機數字模擬技術，解決一些很難直接用數學運算求解或用其他方法不能解決的復雜問題的一種近似計算法。

本專利解決的問題：在機械臂構型已知的情況下，根據任務需求，以某個指定的概率確定組成機械臂關節單元行程包絡，以指導機械臂關節形成包絡的精細化設計。

本發明提供了一種采用蒙特卡洛方法確定機械臂關節行程的方法，包含以下步驟：

步驟1、確定機械臂的位姿約束，位姿約束包含機械臂末端位置的活動范圍和指向范圍；

步驟2、根據包含機械臂各相鄰關節旋轉軸之間夾角的機械臂構型參數，構建機械臂逆運動方程；

步驟3、包含不同關節角信息的機械臂的某個狀態作為一個蒙特卡洛樣本點，根據機械臂的位姿約束以及逆運動方程，計算出不同蒙特卡洛樣本點中各關節角信息集合，該關節角信息集合包含了機械臂中不同關節的行程包絡。

優選地，所述步驟1中根據機械臂末端位置的活動范圍和指向范圍進行概率建模。

優選地，所述概率建模包含：

機械臂位姿極限狀態由衛星滾動姿態以及安裝在機械臂末端的推力器共同確定；

其中，標稱狀態下衛星質心到機械臂末端的距離L0，衛星偏航范圍包括：衛星X軸旋轉姿態范圍為(-phi_1，phi_1)，衛星Z軸旋轉姿態范圍為(-psi_1，psi_1)；機械臂末端推力器向±X軸偏斜角度范圍為(-psi_2，psi_2)；推力器向±Z軸偏斜角度范圍為為(-phi_2，phi_2)；