[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

说明书

本发明实施例提供了一种单关节故障空间机械臂位姿可达空间求解方法，实现了任一关节故障锁定后空间机械臂可达位姿退化情况的量化分析，包括：基于关节人为限位求解单关节故障锁定的空间机械臂退化工作空间；构建姿态可达度指标，求解面向任务的空间机械臂期望姿态；综合期望姿态与退化工作空间内各散点坐标构建机械臂末端位姿集，筛选其中存在逆解的位姿，获得单关节故障的空间机械臂位姿可达空间。根据本发明实施例提供的技术方案，可以实现任一关节故障锁定的空间机械臂位姿可达空间求解。

【技术领域】

本发明涉及一种单关节故障空间机械臂位姿可达空间求解方法，属于空间机械臂容错控制技术领域。

【背景技术】

随着人类对太空探索的不断深入，具有跨度大、操作灵活、负载能力强等特点的空间机械臂应用日益广泛。但是工作环境的恶劣与关节结构的复杂，使得长期服役的空间机械臂发生关节故障的概率增大。机械臂在关节故障后仍能执行同时考虑末端位置和姿态可达的在轨空载/负载操作，对太空探索任务的高质量完成具有至关重要的作用。因此，开展关节故障的空间机械臂末端位姿可达性的相关研究，对加快人类探索空间进度具有非常大的理论价值和现实意义。

空间机械臂通常基于退化工作空间执行关节故障锁定后的空间操作任务，退化工作空间体积大小受故障关节锁定角度影响，当故障关节锁定至某些特殊角度时，工作空间严重退化导致空间机械臂可能无法完成后续任务。而且，退化工作空间不具有表征空间机械臂末端姿态可达性的特点，这将严重影响空间机械臂执行对末端位置和姿态都有要求的空间操作任务。因此，建立可满足后续任务位置可达性需求，且能够同时表征机械臂末端姿态可达性的工作空间，即机械臂位姿可达空间，对于空间机械臂关节故障后仍能继续完成后续操作任务具有至关重要的现实意义。

【发明内容】

有鉴于此，本发明实施例提供了单关节故障的空间机械臂位姿可达空间分析方法，所求位姿可达空间可为发生关节故障锁定的空间机械臂同时考虑末端位置和姿态可达性的后续操作提供保障。

上述单关节故障空间机械臂位姿可达空间的求解过程中，用到的方法至少包括：

依据故障关节锁定角度与空间机械臂退化工作空间体积之间的对应关系，以保证退化工作空间满足后续任务需求为目标，基于牛顿-拉夫逊法解出每一关节的人为限位，即在机械臂处于常态时人为限定关节转动范围，基于各关节所求人为限位范围，通过蒙特卡洛法求得单关节故障后空间机械臂的退化工作空间；

依据末端处于不同姿态时机械臂可达空间不同这一特点，构建姿态可达度指标，针对空间机械臂具体操作任务所对应的末端姿态变化范围，基于姿态可达度指标求出其中不同姿态所对应的可达空间体积，选取最大可达空间对应的姿态作为空间机械臂面向任务的期望姿态；

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机械臂位姿可达空间，以实现单关节故障空间机械臂的位姿可达空间求解。

上述求解过程中，计算单关节故障空间机械臂退化工作空间的过程包括：

第一步，基于D-H参数法建立n自由度空间机械臂运动学模型，无故障状态下，令空间机械臂从基座到末端的各关节依次表示为J₁～J_n，各关节对应关节角度依次表示为θ₁～θ_n，各连杆依次表示为L₁～L_n；定义为连杆i-1和i之间的位姿转换矩阵，则机械臂正运动学方程可表示为：

当空间机械臂关节k发生故障并锁定在θ_k角度时，定义关节k后面各关节及各连杆编号在原有的基础上减1，并增加上标“～”；将连杆L_k-1与L_k视为一个连杆，即基于常态下空间机械臂正运动学方程可得单关节故障的空间机械臂正运动学方程为：