關節故障空間機械臂容錯運動控制技術

陳鋼

工學博士，北京郵電大學自動化學院副教授。現任空間機器人技術教育 部重點實驗室副主任,自動化學院機電教研中心副主任。長期從事空間機械臂規劃與控制研究工作，主要承擔我國空間站機械臂、嫦娥5號機械臂等重大專項空間機械臂規劃與控制等關鍵技術攻關工作。近年來，先後主持國家自然科學基金課題，教育 部博士點基金項目，載人航天預研項目以及航天院所委托項目等30多項。以第 一或通訊作者發表在國內外重要刊物和學術會議上發表論文60餘篇,其中SCI檢索20餘篇；獲國家發明專利20餘項；獲中國機械工業科技獎一等獎一項。

第 1章空間機械臂概述 1

1.1　空間機械臂的組成 2

1.2　空間機械臂國內外發展現狀 3

1.2.1　國外典型空間機械臂 3

1.2.2　國內空間機械臂發展概況 7

1.3　空間機械臂應用分析 9

1.3.1　空間機械臂應用環境特點分析 9

1.3.2　空間機械臂自身特性分析 10

1.3.3　空間機械臂任務特點分析 11

1.4　空間機械臂故障案例及容錯需求分析 13

小結 14

參考文獻 14

第 2章空間機械臂的關節故障及容錯技術 15

2.1　故障分類及應對方法概述 16

2.1.1　典型故障分類 16

2.1.2　關節故障應對方法 20

2.2　關節鎖定故障空間機械臂容錯規劃與控制研究現狀 27

2.2.1　關節鎖定故障空間機械臂數學建模研究現狀 27

2.2.2　關節鎖定故障空間機械臂運動能力影響分析研究現狀 28

2.2.3　關節鎖定故障空間機械臂容錯運動控制策略研究現狀 29

2.3　關節自由擺動故障空間機械臂容錯規劃與控制研究現狀 32

2.3.1　關節自由擺動故障空間機械臂數學建模研究現狀 32

2.3.2　關節自由擺動故障空間機械臂運動能力影響分析研究現狀 33

2.3.3　關節自由擺動故障空間機械臂容錯運動控制策略研究現狀 35

2.4　關節部分失效故障空間機械臂容錯規劃與控制研究現狀 37

2.4.1　關節部分失效故障空間機械臂數學建模研究現狀 37

2.4.2　關節部分失效故障空間機械臂運動能力影響分析研究現狀 38

2.4.3　關節部分失效故障空間機械臂容錯運動控制策略研究現狀 39

小結 40

參考文獻 41

第3章關節故障空間機械臂數學模型 49

3.1　常態下空間機械臂運動模型 50

3.1.1　空間機械臂運動學建模 52

3.1.2　空間機械臂動力學建模 57

3.2　關節故障通用表徵模型 65

3.3　關節部分失效故障空間機械臂數學建模 67

3.3.1　關節部分失效故障空間機械臂運動學耦合關系 67

3.3.2　關節部分失效故障空間機械臂動力學耦合關系 69

3.4　關節鎖定故障空間機械臂運動模型重構 72

3.4.1　關節鎖定故障空間機械臂運動學模型 73

3.4.2　關節鎖定故障空間機械臂動力學模型 87

3.5　關節自由擺動故障空間機械臂運動學/動力學耦合關系 89

3.5.1　關節自由擺動故障空間機械臂運動學耦合關系 89

3.5.2　關節自由擺動故障空間機械臂動力學耦合關系 91

小結 94

參考文獻 94

第4章關節故障空間機械臂運動能力分析 95

4.1　典型的空間機械臂運動能力指標 96

4.1.1　末端可達性 96

4.1.2　靈巧性 97

4.1.3　負載操作能力 99

4.2　關節故障空間機械臂末端可達性分析 101

4.2.1　關節鎖定故障空間機械臂工作空間 101

4.2.2　關節自由擺動故障空間機械臂工作空間 106

4.2.3　關節部分失效故障空間機械臂工作空間 113

4.3　關節故障空間機械臂靈巧性分析 117

4.3.1　運動學靈巧性 117

4.3.2　動力學靈巧性 119

4.3.3　模擬算例 121

4.4　關節故障空間機械臂負載操作能力分析 125

4.4.1　動態負載能力 125

4.4.2　末端操作力 127

4.4.3　模擬算例 129

4.5　關節故障空間機械臂綜合運動能力分析 135

4.5.1　指標全局化處理與標準化處理 135

4.5.2　綜合運動能力指標構造 137

小結 143

參考文獻 144

第5章關節鎖定故障空間機械臂容錯運動控制策略 145

5.1　空間機械臂運動能力退化預防策略 146

5.1.1　運動能力退化預防過程分析 146

5.1.2　關節人為限位求解 147

5.1.3　模擬算例 149

5.2　關節鎖定故障空間機械臂參數突變抑制 152

5.2.1　參數突變現象分析 152

5.2.2　關節速度參數突變抑制 155

5.2.3　關節力矩參數突變抑制 157

5.2.4　最優抑制系數函數求解 159

5.2.5　模擬算例 162

5.3　關節鎖定故障空間機械臂容錯路徑規劃 169

5.3.1　面向靈巧性最優的空間機械臂容錯路徑規劃 169

5.3.2　負載操作能力最優的空間機械臂容錯路徑規劃 174

5.4　關節鎖定故障空間機械臂全局容錯軌跡優化 187

5.4.1　關節空間容錯構型群組求解 187

5.4.2　面向多約束多優化目標的全局容錯軌跡優化 190

5.4.3　模擬算例 193

小結 199

參考文獻 199

第6章關節自由擺動故障空間機械臂容錯運動控制策略 201

6.1　關節自由擺動故障空間機械臂運動學與動力學耦合特性分析 203

6.1.1　非完整約束特性分析 203

6.1.2　冗餘特性分析 209

6.1.3　運動學與動力學耦合程度分析 213

6.1.4　動力學可控性及可控程度分析 218

6.2　空間機械臂自由擺動故障關節鎖定處理策略 226

6.2.1　自由擺動故障關節最優鎖定角度求解 227

6.2.2　面向被動關節調控任務的主動關節速度求解 231

6.2.3　關節自由擺動故障空間機械臂欠驅動控制 231

6.2.4　模擬算例 236

6.3　關節自由擺動故障空間機械臂軌跡優化 244

6.3.1　基於多項式插值的關節自由擺動故障空間機械臂軌跡優化 244

6.3.2　基於零空間項的關節自由擺動故障空間機械臂軌跡優化 252

6.3.3　模擬算例 259

6.4　關節自由擺動故障空間機械臂多階段容錯策略 270

6.4.1　多階段容錯策略條件分析 271

6.4.2　面向軌跡奇異規避的多階段容錯策略 272

6.4.3　面向少輸入多輸出任務的多階段容錯策略 276

6.4.4　模擬算例 280

小結 284

參考文獻 284

第7章關節部分失效故障空間機械臂容錯運動控制策略 287

7.1　面向基座無擾的故障空間機械臂容錯運動控制 288

7.1.1　關節速度部分失效時面向基座無擾的容錯運動控制策略研究 288

7.1.2　關節力矩部分失效時面向基座無擾的容錯運動控制策略研究 291

7.2　面向運動能力優化的故障空間機械臂容錯運動控制 293

7.2.1　關節速度部分失效時面向運動能力優化的容錯運動控制策略研究 293

7.2.2　關節力矩部分失效時面向運動能力優化的容錯運動控制策略研究 295

7.3　模擬算例 296

7.3.1　面向基座無擾的容錯運動控制策略模擬驗證 297

7.3.2　面向運動能力優化的容錯運動控制策略模擬驗證 300

小結 303

參考文獻 304

第8章空間機械臂容錯技術未來展望 305

8.1　空間機械臂容錯技術面臨的問題及難點 306

8.1.1　綜合性容錯控制方法 306

8.1.2　低計算量的容錯系統 306

8.1.3　面向多關節故障的容錯系統 307

8.1.4　面向突發關節自由擺動故障的容錯策略 307

8.1.5　面向多運動能力指標的關節參數突變抑制 307

8.2　空間機械臂容錯技術未來發展方向 308

8.2.1　狀態監測 311

8.2.2　健康評估 313

8.2.3　故障預測 314

8.2.4　故障處理 316

小結 318

參考文獻 318