一种面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法

本发明属于机械臂的操作构型选择领域，涉及一种机械臂灵巧性评估方法，具体涉及一种面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法。

背景技术：

1、ssrms构型机械臂是与国际空间站遥操作系统(space station remotemanipulator system，ssrms)自由度数量相同、关节布局一致的七自由度冗余机械臂的统称，例如国际空间站的欧洲机械臂era、加拿大臂canadarm 2、中国空间站核心舱机械臂和问天实验舱机械臂均属于此类机械臂。ssrms构型机械臂由于一个冗余自由度的引入且整体结构关于肘部对称，使其具有灵活的操控性能，广泛用于空间站的建造维护、航天员舱外活动支持等各种空间作业任务。机械臂冗余特性的存在提高了工作灵活性的同时也增加了逆运动学求解的可行性，丰富了工作构型的选取，即对于指定末端位姿的作业任务，机械臂可以选择不同的操作构型。

2、随着太空探索任务的不断深入，空间站、空间望远镜、空间太阳能电站等大尺寸空间结构具有广泛的应用需求。由于火箭单次运载能力、航天员舱外活动时间等条件的限制，空间结构的尺寸难以进一步扩展。但随着空间机器人在轨服务等航天技术的逐渐成熟，将大型空间结构进行模块化设计，通过运载火箭的分批次运输，使用空间机器人按照预期设计将不同模块在轨组装为大尺寸整体结构成为一种极具应用前景的构建方式。

3、使用空间机器人对大尺寸空间结构进行在轨组装可以分为模块抓取、搬运和安装等操作阶段，其中，在模块抓取和安装阶段，由于末端位姿已知，机械臂处于定姿态工作空间，需要以一定的操作构型将末端移动至指定目标点的前方或上方一定距离，在避免碰撞的前提下通过末端的轨迹跟踪实现待安装模块的抓取、对接和锁紧操作。并且，机械臂在运动过程中，操作构型变化幅度越小，与周围物体的碰撞风险也就越小。因此，在模块抓取和安装阶段，需要选择一组在末端姿态保持不变的情况下，沿空间任意方向微调一定距离后，机械臂存在运动学逆解，同时各关节角度不存在大幅度变化的机械臂操作构型作为初始运动构型。

4、基于上述分析，为选择一种合适的机械臂操作构型顺利完成预期在轨任务，需要一种机械臂灵巧性评估方法。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的上述问题，本发明提供了一种面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法。基于此方法，可以选择符合在轨组装任务的机械臂操作构型，作为机械臂开展任务规划的基础。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，包括如下步骤：

4、步骤1、在机械臂各关节运动范围[θdown,θup]内，使用蒙特卡洛法，获取n组机械臂构型；

5、步骤2、根据雅克比矩阵j计算n组机械臂构型的机械臂可操作度m，并得到机械臂可操作度m的取值范围；

6、步骤3、根据机械臂可操作度m的取值范围，计算得到机械臂相对可操作度mr的取值范围；

7、步骤4、给定末端轨迹，n组机械臂构型分别向x轴正负向、y轴正负向、z轴正负向六个方向移动距离d，计算初始构型与移动后各构型机械臂关节角的角度变化量，共有6n组；

8、步骤5、根据关节权重系数和关节角度变化量，计算n组构型中的任意一组构型向六个方向移动后的加权角度值；

9、步骤6、从任意一组构型的六个加权角度值中选择最大值，作为该构型的构型微调量δsmax，共有n个构型微调量，并得到分布范围；

10、步骤7、根据构型微调量δsmax，得到机械臂的相对构型变化量δθr及其分布范围；

11、步骤8、根据相对可操作度mr对n组机械臂构型按照由大到小的顺序进行排序，并截取排序前1％的数据进行分析，得到机械臂各关节角度分布情况；

12、步骤9、根据相对构型变化量δθr对n组机械臂构型按照由大到小的顺序进行排序，并截取排序前1％的数据进行分析，得到机械臂各关节角度分布情况；

13、步骤10、综合考虑根据相对可操作度mr和相对构型变化量δθr得到的关节角度分布规律，得到灵巧操控构型，即机械臂各关节对应角度值，作为执行预期任务时进行路径规划的基础；

14、步骤11、计算机械臂工作空间，验证灵巧构型选择方法的有效性：根据步骤4中得到的不同构型下末端坐标系{xeyeze}相对参考坐标系{xbybzb}的位姿关系t(θ)，计算末端坐标系的原点与参考坐标系原点之间的距离d，计算公式为：

15、

16、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

17、为实现操控构型的择优选优，本发明提出了一种机械臂灵巧性评估方法，同时考虑相对可操作度和构型微调量选择机械臂的灵巧操作构型，作为机械臂执行预期任务时路径规划的基础。其中，相对可操作度，用以描述机械臂的末端运动性能，作为灵巧性定量评估的基准；构型微调量，结合机械臂实际执行预期任务工作中的定姿操作需求，是灵巧性定量评估的关键指标，表示机械臂在不同方向上的移动代价。

技术特征：

1.一种面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述m的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述mr的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述步骤4的具体步骤如下：

5.根据权利要求1所述的面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述δs的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述δsmax的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述δθr的计算公式为：

8.根据权利要求4所述的面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述步骤11的具体步骤如下：

9.根据权利要求8所述的面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，其特征在于所述d的计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种面向在轨组装的空间机械臂灵巧性评估方法，所述方法结合相对可操作度和构型微调量，用于选择自由空间中的灵巧操作构型，作为空间机械臂执行预定任务时进行路径规划的基础。其中，相对可操作度为机械臂可操作度与常数n的比值，用于描述机械臂的末端运动性能，作为灵巧性定量评估的基准；构型微调量为机械臂各关节角度变化量与各关节加权系数的乘积之和，结合其分布规律对其进行归一化处理作为机械臂灵巧性定量评估的关键指标，表示机械臂在不同方向上的移动代价。基于此方法，可以选择符合在轨组装任务的机械臂操作构型，作为机械臂开展任务规划的基础。

技术研发人员：刘阳,李孟飞,冯伟超,姬一明,谢光虎,曹宝石,孙奎,谢宗武
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19