[发明专利]一种单关节锁定失效下的空间机械臂逆运动学方法

说明书

本发明涉及一种单关节锁定失效下的空间机械臂逆运动学方法，依据SSRMS机械臂和其改进机械臂在之间的特征关系，用其等效机械臂的逆运动学结果来作为算法的迭代初值，会大大减少算法收敛到最优值的时间。在计算时，在粒子群算法的基础上，增加了分群操作，模拟了生物界的社会行为，且每次迭代会在精英群和普通群之间进行交流，将适应值差的个体进行替换，在迭代后期进行子群合并操作，方法的收敛速度会得到提升，减少了算法的计算时间。在完成任务要求的前提下可以减少计算时间。且该算法是一种数值求解方法，可以类比推广到其它构型的机械臂，另外关节正常情况下机械臂逆运动学的计算也可以使用该方法，具有较强的普适性。

技术领域

本发明属于空间机械臂逆运动学领域，涉及一种单关节锁定失效下的空间机械臂逆运动学方法，具体内容为针对空间机械臂单关节锁定失效后机械臂构型无法求得解析解时，提出了一种基于粒子群算法的逆运动学求解方法。

背景技术

随着空间应用技术的发展，空间机械臂在太空中扮演着十分重要的角色，包括在轨服务与装配、空间碎片清理等。空间机械臂大多都是冗余机械臂，与6自由度机械臂相比，冗余机械臂在避障、避奇异方面有很大的优势。空间机械臂的成本较高，通常被设计成执行尽可能多的任务，在复杂多变的空间环境中，机械臂的关节执行器和传感器很有可能会发生故障，及时并有效的维修对于空间机械臂来说是十分困难的，甚至是不可能的。因此空间机械臂需具有一定的容错能力。

以已应用于国际空间站的肩部、肘部、腕部均有偏置的7自由度SSRMS型机械臂为例，已有文献对SSRMS型空间机械臂单关节锁定失效下的逆运动学求解方法进行了系统的论述，机械臂某个关节锁定便会退化成6自由度机械臂，当锁定1、2、6、7关节时，机械臂满足Pieper准则，可求出逆运动学的解析解，当3、4、5关节锁定时，机械臂不满足Pieper准则，对于这种情况论文中提出了一种利用实际机械臂和改进机械臂之间的关系进行数值迭代的方法，该方法在每次迭代时，由于逆解的多解性使得迭代增量的计算不唯一，没有提及该选取那个增量或者是如何选取增量来计算下一次的迭代值，因此该种方法在执行过程中存在一些不足。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种单关节锁定失效下的空间机械臂逆运动学方法，是一种基于粒子群优化算法的逆运动学计算方法，该粒子群算法采用了动态分群的思想，将粒子群分成几个普通子群和一个精英群，在普通群和精英群之间进行交换，更新适应值较差的粒子，加快粒子群的收敛速度。

技术方案

一种单关节锁定失效下的空间机械臂逆运动学方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立SSRMS机械臂的正运动学模型：

[n_r,o_r,a_r,p_r]＝f_r(θ_r)      (2)

建立将SSRMS机械臂去掉一个偏置量后的改进机械臂的正运动学模型和逆运动学模型：

[n_m,o_m,a_m,p_m]＝f_m(θ_m)      (4)

式中θ_r表示实际SSRMS机械臂的7个关节角，[n_r,o_r,a_r,p_r]表示实际SSRMS机械臂的末端位姿，θ_m表示改进机械臂的7个关节角，[n_m,o_m,a_m,p_m]表示改进机械臂的末端位姿；