[发明专利]一种单关节故障空间机械臂位姿可达空间求解方法

权利要求书

1.一种单关节故障空间机械臂位姿可达空间求解方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)基于牛顿-拉夫逊法求解空间机械臂各关节人为限位，当机械臂任一关节故障锁定后，释放其他关节的人为限位至物理限位，通过蒙特卡洛法求解单关节故障后空间机械臂的退化工作空间；

(2)依据末端处于不同姿态时机械臂可达空间不同这一特点，构建空间机械臂姿态可达度指标，求解空间机械臂末端处于不同姿态时的姿态可达度，选取最大姿态可达度对应的姿态作为空间机械臂面向任务的期望姿态；

(3)依据所求退化工作空间中各散点位置坐标和期望姿态的组合，构建空间机械臂末端位姿集，基于解析法筛选位姿集中存在逆运动学解的位姿，由这些位姿所对应的散点组成空间机械臂位姿可达空间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单关节故障空间机械臂的退化工作空间的求解至少包括：

(1)设和分别为空间机械臂退化工作空间和常态下工作空间的体积，基于工作空间体积权衡阈值ζ，建立空间机械臂退化工作空间与常态下工作空间之间的权衡依据

(2)设空间机械臂各关节的初始人为限位为对应的物理限位依次判断各关节锁定在不同角度是空间机械臂退化工作空间是否满足步骤(1)中的权衡依据，完成空间机械臂各关节人为限位的初次求解；

(3)在完成各关节人为限位的初次求解之后，基于牛顿-拉夫逊法迭代求解各关节人为限位，直至相邻两次所求各关节人为限位之差满足要求为止；

(4)将常态下空间机械臂的各关节转动范围限制在所求人为限位内，当某关节故障锁定后，释放其余关节转动范围至对应物理限位，基于退化工作空间求解公式，完成体积不小于的空间机械臂退化工作空间的求解。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间机械臂面向任务的期望姿态的计算至少包括：

(1)基于蒙特卡洛法随机遍历N组关节角序列，获得包含N个元素的位置集合P＝{(x_n,y_n,z_n)|n＝1,2,...,N}，令集合P中各位置与欧拉角(α,β,γ)组合以获得空间机械臂末端位姿集合P_E＝{(x_n,y_n,z_n,α,β,γ)|n＝1,2,...,N}；

(2)对末端分别处于位姿集合P_E中各位姿处时的机械臂进行逆运动学求解，定义存在逆解的位姿个数M同总位姿个数N的比值为姿态(α,β,γ)所对应的姿态可达度R；

(3)以为步长依次遍历末端位姿α,β,γ的取值范围，获得空间机械臂可达姿态集

(4)求解空间机械臂可达姿态集E中所有姿态所对应的姿态可达度R_η(η＝1,2,...,ε)；

(5)选取最高位姿可达度R_η所对应的姿态(α_exp,β_exp,γ_exp)，作为空间机械臂面向具体任务的期望姿态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单关节故障的空间机械臂位姿可达空间的求解至少包括：

(1)组合所求退化工作空间中各散点位置坐标(x_n,y_n,z_n)同期望姿态(α_exp,β_exp,γ_exp)，构建面向任务的空间机械臂末端位姿集P_{E_ini}＝{(x_n,y_n,z_n,α_exp,β_exp,γ_exp)|n＝1,2,...,N}；

(2)选取位姿集P_{E_ini}中存在逆运动学解的位姿组成优选位姿集P_{E_opt}，由优选位姿集P_{E_opt}中各位姿所对应的散点组成空间机械臂位姿可达空间