[发明专利]一种空间机械臂运动性能严重退化预防策略

权利要求书

1.一种空间机械臂运动性能严重退化的预防方法，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，并根据分析结果选定用于综合表征空间机械臂运动性能的多个单方面运动性能指标；

(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)依据单方面运动性能指标或综合运动性能指标，构建完成求解的判据，并基于牛顿-拉夫逊法求解常态下空间机械臂各关节人为限位；

(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，包括操作空间的位置可达空间W_P、部分方位可达空间W_OP、全方位可达空间W_OF和关节空间的最小奇异值s、条件数k、运动灵巧性D、可操作度w；

(2)以综合表征空间机械臂运动性能为目的，从上述受故障关节锁定角度影响的运动性能指标中选定位置可达空间W_P、全方位可达空间W_OF、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W_P、全方位可达空间W_OF、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CI_j如下：

上式中，i表示关节J_i发生故障，j表示故障关节锁定在第j个角度，CI_j表示故障关节锁定在q_{i_j}时所对应的综合运动性能，ω_{CI_h}表示第h个子指标所对应的权重，P_{j_h}表示故障关节锁定在q_{i_j}时第h个指标占该指标的比重；令X_{j_h}表示故障关节锁定在q_{i_j}时第h个子指标所对应的数值，则比重P_{j_h}可表示为：

根据比重P_{j_h}的表达，基于熵值法可进一步获得权重ω_{CI_h}的数学表达：

上式中，g_h表示第h个指标的差异系数，e_h表示第h个指标的熵值。