一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略制造技术

本发明专利技术实施例提供了一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略，包括：分析受故障关节锁定角度影响的空间机械臂单方面运动性能指标，从中选定多个指标以表征空间机械臂综合运动性能；通过对所选局部指标进行全局化处理，在构造其对应的全局波动指标的基础上，利用熵值法构造空间机械臂综合运动性能指标；以单方面运动性能或综合运动性能指标为依据，基于牛顿‑拉夫逊法求解空间机械臂各关节人为限位；通过人为限定常态下空间机械臂各关节的转动范围，实现空间机械臂运动性能严重退化的预防。根据本发明专利技术实施例提供的技术方案，可使关节锁定故障发生后空间机械臂的运动性能仍能满足在轨操作任务要求。

A preventive strategy for serious degradation of motion performance of space manipulator

The embodiment of the invention provides a strategy for preventing serious deterioration of the motion performance of a space manipulator, which includes: analyzing the unilateral motion performance index of a space manipulator affected by the locking angle of the faulty joint, selecting a plurality of indexes to represent the comprehensive motion performance of the space manipulator; and globalizing the selected local indexes On the basis of constructing the corresponding global fluctuation index, the entropy method is used to construct the comprehensive motion performance index of space manipulator; on the basis of the unilateral or comprehensive motion performance index, the artificial limit of each joint of space manipulator is solved based on Newton-Raphson method; and on the basis of the artificial limit of normal space machinery. The rotation range of each joint of the arm can prevent the serious degradation of the motion performance of the space manipulator. According to the technical scheme provided by the embodiment of the invention, the motion performance of the space manipulator can still meet the on-orbit operation requirements after the joint locking fault occurs.

【技术实现步骤摘要】
一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略
本专利技术涉及一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略，属于空间机械臂容错控制
【技术背景】太空所具有的军事、政治、民生、经济等多方面战略地位，促使世界各国愈发重视太空探索工作。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。但太空环境的恶劣、操作任务的繁重与关节结构的复杂，导致空间机械臂在长期服役过程中极有可能发生关节锁定故障，且通常无法得以及时维修。当故障关节锁定至特殊角度以使空间机械臂运动性能严重退化时，空间机械臂将无法继续执行在轨操作任务，严重影响太空探索工作的顺利推进。因此，为了保证太空探索工作顺利完成，亟需开展空间机械臂运动性能严重退化预防策略的相关研究。面向关节锁定故障的空间机械臂运动性能严重退化的预防，主要通过人为限定常态下空间机械臂各关节转动范围(人为限位)实现。现有计算关节人为限位的方法仅有解析法，基于解析法无法解决求解过程中存在的耦合问题(当完成求解的判据与人为限位有关，或关节故障后其余健康关节的限位不释放，则存在耦合问题)，导致所求关节人为限位并非理想人为限位；此外，现有完成求解的判据多为单方面运动性能指标，其无法表征空间机械臂综合运动性能，导致关节锁定故障后空间机械臂综合运动性能可能无法满足在轨操作任务要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略，所提预防策略能够保证关节锁定故障后空间机械臂的单方面运动性能或综合运动性能仍能满足在轨操作任务要求。上述空间机械臂运动性能严重退化预防过程中，用到的方法至少包括：依据空间机械臂操作空间和关节空间各运动性能指标的数学表达及表征意义，分析其中受故障关节锁定角度影响的单方面运动性能指标，以综合表征空间机械臂操作空间和关节空间运动性能为目的，从受故障关节锁定角度影响的性能指标中选定多个单方面运动性能指标；依据运动性能指标全局化处理方法，将所选单方面运动性能指标中的局部指标转化为全局指标，并构造其所对应的全局波动指标，考虑到不同指标对机械臂综合运动性能影响程度不同，基于熵值法构造空间机械臂综合运动性能指标，以实现对空间机械臂操作空间和关节空间运动性能的综合表征；依据完成求解的判据(单方面运动性能指标或综合运动性能指标)，基于牛顿-拉夫逊法求解常态下空间机械臂各关节人为限位(仅当完成求解判据为指标常量且关节故障后其余关节限位释放时，可基于解析法完成常态下空间机械臂各关节人为限位的求解)；依据所求空间机械臂各关节人为限位，在机械臂具有冗余特性的前提下，通过人为限定常态下空间机械臂各关节转动范围，即令各关节在人为限位内运动，完成空间机械臂运动性能严重退化的预防，保证关节锁定故障后空间机械臂运动性能仍能满足后续在轨操作任务要求。上述求解过程中，空间机械臂单方面运动性能指标的选定过程包括：第一步：确定空间机械臂操作空间和关节空间内受故障关节锁定角度影响的各运动性能指标的数学表达。空间机械臂操作空间的运动性能指标主要有位置可达空间、部分方位可达空间、全方位可达空间；关节空间的运动性能指标主要有最小奇异值、条件数、运动灵巧性、可操作度。对空间机械臂雅可比矩阵J(q)进行奇异值分解，如下式所示：J(q)＝UΣV上式中，U表示m×m维正交矩阵，V表示n×n维正交矩阵，Σ表示对角线为非负实数的m×n维对角阵，且Σ具有如下形式：上式中，σ1,σ2,...,σm为雅可比矩阵J(q)的奇异值，且有σ1≥σ2≥...≥σm≥0。当机械臂处于非奇异位形时，Rank(Σ)＝Rank(J(q))＝m；当机械臂处于奇异位形时，Rank(Σ)＝Rank(J(q))＝r＜m，此时，对角阵Σ具有如下形式：上式中，σ1表示J(q)的最大奇异值，σr表示J(q)的非零最小奇异值。通过上述推导可知，基于空间机械臂各关节角度q1,q2,...,qn可求得雅可比矩阵J(q)的奇异值σ1,σ2,...,σm(σr)，因此，同雅可比矩阵J(q)奇异值相关的运动性能指标，同样受空间机械臂故障关节的锁定角度影响。如关节空间的运动灵巧性D的数学表达如下式所示：D＝1/(mink(J(q)))操作空间的位置可达空间WP的数学表达如下式所示：上式中，表示坐标系Σi相对于Σi-1的位姿转换矩阵。基于所求雅可比矩阵奇异值及空间机械臂各指标的定义，可得到操作空间的位置可达空间、部分方位可达空间、全方位可达空间和关节空间的最小奇异值、条件数、运动灵巧性、可操作度等指标相关分析，如表1和表2所示。表1受故障关节锁定角度影响的操作空间运动性能指标表2受故障关节锁定角度影响的关节空间运动性能指标第二步：以综合表征空间机械臂操作空间和关节空间运动性能为目的，从受故障关节锁定角度影响的性能指标中选定多个单方面运动性能指标。基于表1和表2可知，机械臂末端的位置可达性和姿态可达性的高低，直接影响机械臂可完成任务的数量与任务规划的速度，进而会对机械臂完成任务的效率产生影响；另外，机械臂运行过程中的位形奇异程度及各向同性程度的高低，直接影响机械臂运行安全程度与轨迹平滑程度，进而会对机械臂完成任务的质量产生影响；为了同时提高空间机械臂完成任务的效率与质量，需最大化空间机械臂关节故障后末端的位置与姿态可达性及不同构型下机械臂的位形奇异程度与各向同性程度。通过将空间机械臂的位置可达性、姿态可达性、位形奇异程度及各向同性程度同机械臂的操作空间和关节空间进行对应可知，位置可达性和姿态可达性属于机械臂操作空间性能，位形奇异程度及各向同性程度属于机械臂关节空间性能。操作空间和关节空间内的不同运动性能指标可能会重复表征机械臂某些特性，如操作空间的部分方位可达空间WOP与全方位可达空间WOF会重复表征机械臂末端的部分姿态可达性，关节空间的最小奇异值s与运动灵巧性D会重复表征机械臂最差运动方向上的运动能力。为了使所构造的综合运动性能指标重复表征的特性尽可能少，以提高综合运动性能评估效率，仅需选取操作空间和关节空间内的部分运动性能指标，即可实现对空间机械臂操作空间和关节空间运动性能的综合表征。通过分析表1和表2中不同运动性能指标的表征特性可知，位置可达空间WP与全方位可达空间WOF可以实现对空间机械臂末端位置与姿态可达性的表征，最小奇异值s与条件数k可以实现对机械臂位形奇异程度与各向同性程度的表征。因此，选取空间机械臂位置可达空间WP、全方位可达空间WOF、最小奇异值s与条件数k四个运动性能指标作为构造综合运动性能指标的基础。上述求解过程中，空间机械臂综合运动性能指标的构造过程包括：第一步：将所选单方面运动性能指标中的局部指标转化为全局指标。由于要构造的综合运动性能指标用于评估空间机械臂的全局综合运动性能，故需将最小奇异值s与条件数k等局部运动性能指标转化为全局运动性能指标。空间机械臂全局最小奇异值指标sG定义为位置可达空间内机械臂最小奇异值s的平均值，全局条件数指标kG定义为位置可达空间内机械臂条件数k的平均值，其数学表达式如下：第二步：考虑到全局最小奇异值指标和全局条件数指标不能反映整个位置可达空间内机械臂最小奇异值s与条件数k的波动情况，而最小奇异值s与条件数k波动幅度越小，机械臂执行任务的安全性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)依据空间机械臂操作空间和关节空间各运动性能指标的数学表达及表征意义，分析其中受故障关节锁定角度影响的单方面运动性能指标，并从分析结果中选定多个单方面运动性能指标，以综合表征空间机械臂操作空间和关节空间运动性能；(2)依据运动性能指标全局化处理方法，将所选单方面运动性能指标中的局部指标转化为全局指标，并建立其全局波动指标，进而基于熵值法构造空间机械臂综合运动性能指标；(3)依据完成求解的判据(单方面运动性能指标或综合运动性能指标)，基于牛顿‑拉夫逊法求解常态下空间机械臂各关节人为限位(仅当完成求解判据为指标常量且关节故障后其余关节限位释放时，可基于解析法完成常态下空间机械臂各关节人为限位的求解)；(4)依据所求空间机械臂各关节人为限位，在机械臂具有冗余特性的前提下，通过人为限定常态下空间机械臂各关节转动范围，完成空间机械臂运动性能严重退化的预防。

【技术特征摘要】
1.一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)依据空间机械臂操作空间和关节空间各运动性能指标的数学表达及表征意义，分析其中受故障关节锁定角度影响的单方面运动性能指标，并从分析结果中选定多个单方面运动性能指标，以综合表征空间机械臂操作空间和关节空间运动性能；(2)依据运动性能指标全局化处理方法，将所选单方面运动性能指标中的局部指标转化为全局指标，并建立其全局波动指标，进而基于熵值法构造空间机械臂综合运动性能指标；(3)依据完成求解的判据(单方面运动性能指标或综合运动性能指标)，基于牛顿-拉夫逊法求解常态下空间机械臂各关节人为限位(仅当完成求解判据为指标常量且关节故障后其余关节限位释放时，可基于解析法完成常态下空间机械臂各关节人为限位的求解)；(4)依据所求空间机械臂各关节人为限位，在机械臂具有冗余特性的前提下，通过人为限定常态下空间机械臂各关节转动范围，完成空间机械臂运动性能严重退化的预防。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间机械臂单方面运动性能指标的选定过程至少包括：(1)基于各运动性能指标的数学表达，分析受故障关节锁定角度影响的空间机械臂运动性能指标，如位置可达空间WP、部分方位可达空间WOP、全方位可达空间WOF等操作空间运动性能指标和最小奇异值s、条件数k、运动灵巧性D、可操作度w等关节空间运动性能指标均受空间机械臂故障关节锁定角度影响；(2)以综合表征空间机械臂操作空间和关节空间运动性能为目的，从上述受故障关节锁定角度影响的运动性能指标中选定多个指标，以构造空间机械臂综合运动性能；考虑到位置可达空间WP与全方位可达空间WOF可以表征空间机械臂末端位置与姿态可达性，最小奇异值s与条件数k可以表征机械臂位形奇异程度与各向同性程度，因此，选定位置可达空间WP、全方位可达空间WOF、最小奇异值s、条件数k四个单方面运动性能指标作为构造空间机械臂综合运动性能指标的基础。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构造空间机械臂综合运动性能指标的过程至少包括：(1)依据运动性能指标全局化处理方法，将所选单方面运动性能指标中的局部运动性能指标最小奇异值s和条件数k转化为全局运动性能指标；空间机械臂全局最小奇异值定义为位置可达空间内机械臂最小奇异值s的平均值，全局条件数定义为位置可达空间内机械臂条件数k的平均值，其数学表达式如下：(2)考虑到最小奇异值s和条件数k波动幅度越小，机械臂执行任务的安全性与操作精度越高，因此，将最小奇异值波动和条件数波动所产生的影响融入综合运动性能指标；空间机械臂最小奇异值波动指标和条件数波动指标的数学表达如下：综上所述可知，需综合考虑位置可达空间WP、全方位可达空间WOF、全局最小奇异值指标最小奇异值波动指标全局条件数指标与条件数波动指标以构造空机械臂综合运动性能指标；(3)依据所选定的6个子指标，基于熵值法构造空间机械臂综合运动性能指标CIj如下：上式中，CIj表示故障关节锁定在qi_j时所对应的综合运动性能(其中，i表示关节Ji发生故障，j表示故障关节锁定在第j个角度)，ωCI_h表示第h个子指标所对应的权重，Pj_h表示故障关节锁定在qi_j时第h个指标占该指标的比重；令Xj_h表示故障关节锁定在qi_j时...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钢，李岚普，贾庆轩，王宣，闫硕，刘丹，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11