[发明专利]一种采用蒙特卡洛方法确定机械臂关节行程的方法

说明书

本发明涉及一种采用蒙特卡洛方法确定机械臂关节行程的方法，包含以下步骤：步骤1、确定机械臂的位姿约束，位姿约束包含机械臂末端位置的活动范围和指向范围；步骤2、根据包含机械臂各相邻关节旋转轴之间夹角的机械臂构型参数，构建机械臂逆运动方程；步骤3、包含不同关节角信息的机械臂某个状态作为一个蒙特卡洛样本点，根据机械臂的位姿约束以及逆运动方程，计算出不同蒙特卡洛样本点中各关节角信息集合，该关节角信息集合包含了机械臂中不同关节的行程包络。本发明可在机械臂构型已知的情况下，以某个指定的概率确定组成机械臂关节单元行程包络，以指导机械臂关节形成包络的精细化设计。

技术领域

本发明涉及一种采用蒙特卡洛方法确定机械臂关节行程的方法。

背景技术

采用机械臂加推力器的卫星姿轨一体化控制，利用机械臂末端位姿主动调整能力的特点，有多种优势包括，由于推力器位置和方位指向均可主动调节，对推力器个数需求少，理论上仅一台推力器即可实现姿轨一体化控制；可综合机械臂末端位姿调整，实现所需的任意指向推力，卫星燃料利用率最高；对于有姿态机动或姿态偏置需求的卫星，采用机械臂位姿主动控制，可以实时抵消卫星姿态，可在姿态机动或姿态偏置期间正常执行既定姿轨一体化控制任务。

根据机械臂结构参数(如组成机械臂的臂杆长度等)，设计机械臂控制率时，若机械臂行程约束太紧，会影响机械臂正常效能发挥；若机械臂行程约束太松，可能会有机械臂与星体碰撞的安全风险。因此，为了在不影响机械臂任务正常执行情况下，提高机械臂控制的安全性，需对机械臂关节行程进行评估，并进行适当约束。

然而，对于一个n(4≤n≤6，若n4，机械臂不足以实现位姿同时控制；若n6,机械臂关节存在多解，不能用于评估关节行程范围)个关节机械臂系统，根据机械臂末端位姿状态计算关节参数的过程，本质上是对一个n元超越方程求解的过程，可用多参数梯度优化算法解决该问题。因此，计算机械臂关节角度无明确的解析解，计算过程比较冗长，基于正常分析法无法得到机械臂关节的形成包络情况。

发明内容

针对上述问题，提出了一种采用蒙特卡洛方法确定机械臂关节行程的方法。蒙特卡洛方法也称统计模拟方法，是二十世纪四十年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，而被提出的一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法。它是以概率统计理论为基础，依据大数定律(样本均值代替总体均值)，利用电子计算机数字模拟技术，解决一些很难直接用数学运算求解或用其他方法不能解决的复杂问题的一种近似计算法。

本专利解决的问题：在机械臂构型已知的情况下，根据任务需求，以某个指定的概率确定组成机械臂关节单元行程包络，以指导机械臂关节形成包络的精细化设计。

本发明提供了一种采用蒙特卡洛方法确定机械臂关节行程的方法，包含以下步骤：

步骤1、确定机械臂的位姿约束，位姿约束包含机械臂末端位置的活动范围和指向范围；

步骤2、根据包含机械臂各相邻关节旋转轴之间夹角的机械臂构型参数，构建机械臂逆运动方程；

步骤3、包含不同关节角信息的机械臂的某个状态作为一个蒙特卡洛样本点，根据机械臂的位姿约束以及逆运动方程，计算出不同蒙特卡洛样本点中各关节角信息集合，该关节角信息集合包含了机械臂中不同关节的行程包络。

优选地，所述步骤1中根据机械臂末端位置的活动范围和指向范围进行概率建模。

优选地，所述概率建模包含：

机械臂位姿极限状态由卫星滚动姿态以及安装在机械臂末端的推力器共同确定；

其中，标称状态下卫星质心到机械臂末端的距离L0，卫星偏航范围包括：卫星X轴旋转姿态范围为(-phi_1，phi_1)，卫星Z轴旋转姿态范围为(-psi_1，psi_1)；机械臂末端推力器向±X轴偏斜角度范围为(-psi_2，psi_2)；推力器向±Z轴偏斜角度范围为为(-phi_2，phi_2)；