[发明专利]一种空间机械臂故障关节最优锁定角度求解方法

权利要求书

1.一种空间机械臂故障关节最优锁定角度求解方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)依据关节空间不同运动性能指标的表征特性，选取多个指标，使其综合之后能够表征空间机械臂关节空间的综合运动性能，对所选指标进行归一化处理，并将其综合为一个指标，即空间机械臂关节空间综合运动性能指标；

(2)依据解析法逆解故障关节锁定在不同角度时所对应的空间机械臂构型，获得单关节故障空间机械臂构型集，基于综合运动性能指标计算所有构型对应的综合运动性能，选取满足要求的构型以形成空间机械臂优选构型集；

(3)依据蒙特卡洛法求解故障关节锁定在优选构型集对应的不同锁定角度时空间机械臂的退化工作空间，求解所得退化工作空间体积，选取最大退化工作空间体积对应的锁定角度作为故障关节的最优锁定角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间机械臂关节空间综合运动性能指标构造的过程至少包括：

(1)利用雅可比矩阵J的奇异值σ₁,σ₂,…,σ_m，完成空间机械臂关节空间不同运动性能指标的表示；

(2)根据不同指标的表征特性，选取最小奇异值s、条件数c、可操作度ω三个指标，进行空间机械臂关节空间运动性能的综合表征；

(3)根据各指标的取值范围，对所选的三个指标分别进行归一化处理；

(4)相加三个指标归一化处理的结果，获得空间机械臂关节空间综合运动性能指标u＝normal(s)+normal(-c)+normal(ω)∈[0,3]。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过选取满足综合运动性能要求的构型以形成空间机械臂优选构型集的过程至少包括：

(1)令故障关节k以步长Δθ_k遍历其转动范围[θ_{k_min},θ_{k_max}]，并令其锁定在遍历所得某一角度，使空间机械臂末端保持关节故障时的位姿P_E(x,y,z,α,β,γ)不变，基于解析法逆解故障关节k锁定在该角度时的空间机械臂构型q_e＝(θ₁,θ₂,...,θ_k,...,θ_n)，e＝1,2,...,j；

(2)组合故障关节k锁定在不同角度时逆解所得空间机械臂构型，获得空间机械臂关节故障锁定后的构型集q＝{q_{1_j},q_{2_j},...,q_{i_j},...,q_{m_j}}，i＝1,2,...,m；

(3)基于退化最小奇异值s^d、退化条件数c^d和退化可操作度ω^d，构造关节故障后空间机械臂的综合运动性能指标u^d＝normal(s^d)+normal(-c^d)+normal(ω^d)∈[0,3]；

(4)基于综合运动性能指标u^d，计算构型集q中所有构型所对应的空间机械臂综合运动性能

(5)基于归一化处理求解空间机械臂综合运动性能指标的阈值利用阈值μ判断u^d中满足要求的综合运动性能值，以组成优选综合运动性能集合

(6)组合中各综合运动性能值所对应的空间机械臂构型，以形成空间机械臂优选构型集q_opt＝{q_{1_j},q_{2_j},...,q_{t_j}}。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间机械臂自由摆动故障关节最优锁定角度求解的过程至少包括：

(1)选取优选构型集q_opt中故障关节k的不同锁定角度，组成故障关节优选锁定角度集θ_opt＝{θ_{k_1},θ_{k_2},...,θ_{k_g}}；

(2)基于蒙特卡洛法求解空间机械臂故障关节分别锁定在优选锁定角度集θ_opt中不同角度时，空间机械臂的退化工作空间W＝{W₁,W₂,...,W_g}，并基于栅格化处理求解所得空间机械臂退化工作空间的体积V_W＝{V_{W_1},V_{W_2},...,V_{W_g}}；

(3)选取所求退化工作空间体积集合V_W中最大体积V_biggest所对应的故障关节锁定角度θ_k，作为空间机械臂自由摆动故障关节的最优锁定角度θ_opt，进而完成空间机械臂故障关节最优锁定角度的求解。