冗余度机械臂关节运动和末端运动的同步容错规划.pdfVIP

鹅39卷第3期 机械工程学报 VoI39 No3 2003年3月 Mar． 2003 MECHANICALENGINEERING CHINESEJOURNALOF 冗余度机械臂关节运动和末端运动 的同步容错规划+ 赵京缪萍荆红梅 (北京工业大学机械工程及应用电子技术学院北京100022) 摘要：给出了可操作度这一运动灵活性指标新的物理解释，在此基础上进一步分析了退化可操作度这一容错性能 指标的物理含义，由此得到了反映容错空间和实际操作度大小的臂长和转角这两种新的容错性能指标；利用它们 对平面3R机械臂进行了关节运动和末端运动同步容错规划的仿真研究。研究结果表明，转角指标的最大化有利 于避免发生故障时刻的退化机械臂出现奇异位形；而臂长指标有利于避免该退化机械臂在故障发生后的运动中出 现奇异位形。 关键词：冗余度机械臂同步容错规划 中图分类号：TP242 0前言 1理论分析 机械臂的可靠性问题是一个极其重要的问题。 1．1问题的提出 例如在航天、深海及核废料处理等恶劣的环境中， 冗余度机械臂在运行过程中，发生故障情况多 它的作动器和传感器容易损坏且不便维修。当执行 种多样，所采取的容错方案也不尽相同。所考虑的 这些重要任务时，必须保证机械臂系统在发生故障 容错方案是在发生故障时锁定故障关节，这一方案 时依然可靠，以确保任务的顺利完成或至少能够安 的优点是简单可靠。机械臂实现容错操作是指其任 全地移走机械臂系统。为满足这些工作要求，应使 何关节在任何时刻发生故障并被锁定后，它仍然能 机械臂具有容错性能。机械臂容错是指发生故障时 够完成预定的操作任务。机械臂的容错操作涉及到 在无人干预的情况下机械臂仍然能够完成预定操作 两类问题：一是发生故障时刻的操作；二是发生故 任务。 障之后的操作。第一类问题常采用容错性能指标来 利用冗余度机械臂实现容错操作是近年来容 处理，它可以保证机械臂在运动中的任何时刻都具 错机械臂研究中的一个重要方向。国外一些学者 有较高的操作度，避免发生故障时刻出现奇异位 已在这方面展开了积极的研究工作，推导出了平 形：而第二类问题则需要通过规划末端的操作任务 面机械臂实现容错操作的充分必要条件【tI；提出 来处理，使末端的操作任务位于容错空间之内，并 了相对可操作度这一局部容错性能指标【2]：进行 尽可能位于中间区域，避免发生故障后退化机械臂 了冗余度机械臂的全局容错轨迹规划t3,41。但这些在后续的运动中出现奇异位形。 研究工作大多是针对实现容错操作的关节运动规 1．2可操作度的物理含义 划，并且主要讨论故障前的运动规划问题，而对 在讨论容错性能指标之前，有必要从一个新的 末端运动和故障后的运动规划问题则少有涉及。 角度分析一下可操作度的物理解释，这对构造新的 将首先给出可操作度这～运动灵活性指标新的物 容错性能指标极其启发性。众所周知，为了对机械 理解释；然后，在此基础上进一步分析退化可操 臂的运动灵活性进行定量分析，常采用可操作度性 作度这一容错性能指标的物理含义，由此得到臂 能指标”I，即 长和转角这两种新的容错性能指标，最后利用它