有关人造机器手臂进行空间作业的技巧策略的分析综述

刘继辉 段旭彤

摘要：本文的研究主要是关于人造机器手臂在空间进行任务时柔韧度作用的探讨。一般我们创设模型的时候都会采用旧有的有限元法以及质量法等等。但是实践证明，这些都不能够完全解决这个弹性变形，所以我们提出一种新的科学方法来解决问题，那就是使用绝对端点法来描写机械臂的刚性度，同时还在这个基础上使用质量法（两连杆人造机器手臂的理论力学模型）来满足进行机器手杆的精准定位的需要。

关键词：机械臂，质量法，柔韧度，变形，定位

引言

近些年来，空间技术的发展越来越迅速。世界各国有关航空航天行业的探索研究也越来越深入。与此同时，空间技术的高要求也在与日俱增。我们对于宇宙的空间探索，尤其是空间站的建立也大大加深了我们对于这个宇宙除地球以外的领域的了解和探索。提到空间站的建设和发展，就不能不谈到这个空间机器人的作用。

在外太空进行相关工作时，由于重力等资源条件与地球有极大不同的原因，我们面临着许多对于人类本身而言是非常困难艰巨的任务，机器人的创造出现就为我们很好的解决了这个难题。在外太空的领域进行高难度强的工作，包括在轨支持、出仓回收等等这些都可以通过机器人来完成。这其中占据着重要地位的就是机器手臂。

无论是国内还是国外，在这一方面的研究都已经取得了很好的 成果，但是面对工作中还是会出现的问题，我们必须要做出进一步的研究和升级改造。总的来说，在空间站工作的机器手臂和人类的手足能力比较而言极具优势。

机器人模型的手臂所采用的才智都是轻型的，它们的尺寸相对而言也会占据着一定的优势。正是由于这些优点，所以它们才可以替代人类进行一些手足范围之外的工作开展。但是机器手臂最大的缺点可能就是不能达到人类手臂的高度灵活性，所以有关机械臂的柔韧度建设的问题也就显得格外突出。旧有的创设模型方式一般只是对于那些发生变形比较少的机器臂，但是那些比较大的变形问题，就不能大规模的使用这种传统的模式创设。

如果我们换一个角度看待这个问题，我们就会发现，其实有些机械组成部分的构件还是会被当成一种刚性体，它们同时具备这种刚柔相济的特质。假如我们可额以做到刚柔相济动力学创设模型，那么这对于空间站工作的机器手臂的理论力学的功能特性的研究就会产生极大的影响和作用。

机器手臂本身就具备一定的柔韧性，而且它的尾端在进行抓取命令的时候一般可以进行较大重量的行为指令，但是我们为了降低这种手臂机器的软性变形，它的使用寿命、增加它的精准定位能力，我们就看可以采取运动法，来对这个机器手臂做出符合理性实际特征的调整和规划设计，同时开展有效地轨迹追踪和机器设计与控制。这是策略的体现，也是机器优化升级的有效方法。

我们可以采用坐标法（这里特指自然坐标法，主要是一种坐标系的建立方法，根据一种沿着质点进行运动的轨迹创设的坐标系）来对这个体系刚性体的理论力学模型进行推算分析。但是我们今天提到的绝对端点建立坐标系的方法可以发挥出更优质的作用：对于机器手臂柔韧度的系统理论力学的模型创设问题研究的精确性。这个方法不仅能够继承了传统方法的优越性，在旧有的基础上体现了创新的表现。它不仅对于这种小型的变形可以使用，对于那些大型的变形问题同样适用。如果我们可以把运用自然坐标法的同时再加上绝对端点方法，最后结合的结果就是绝对坐标法。

这个方法已经在业内被认可，它的使用范围十分广泛，尤其是关于机械臂刚柔相济的问题研究上。传统方法上，我们多是使用向量坐标，但是在创新后绝对坐标法中，我们采用了转动坐标，这样就可以更加方便快捷精准的描写刚柔相济的转化和变性作用。

这篇文章主要是使用绝对坐标法进行模型建设，来解决机械臂的刚柔性问题。绝对坐标法的采用：自然坐标进行尾部质量的描写，绝对端点法分散机械杆的柔韧度。采用计算机程序，进行参数分解，把最后取得的结果作为方案规划设计的参考依据。同时，提出了轨迹追踪策略，根据模仿实际的试验，以上的设计规划方案对于机器臂的变形问题有着显著的降低效果。

1.機器臂的理论力学方程式

在空间站工作的机器臂的结构主要包括枢纽、臂杆等等多部分构成，机器人手臂的工作环境一般都是零重力的条件以及其他的外空间环境。机器臂之所以具备发生变形的条件，主要是由于它的内在柔性度和弹性。有关这一点可参考于登云的空间动力学模型建构的资料研究。具体方程式可参考相关的研究资料（空间机械臂建模方法与控制策略研究，荣吉利、杨永泰、李健、胡成威、刘 宾）。

2.轨迹追踪控制策略（参考资料同上）

3.数据结果分析

机器手臂如果是在一个没有重力存在的条件下，在最开始的实践，内部的臂杆和外部的臂杆都是处于一个静止的状态，使用PD操控方案以及我们曾经提到的轨迹规划，来进行内外部臂杆运动位置的具体操控，如果内外臂杆是采用的同种类型的材质，它们的材质参变量如下：

假如臂杆的横截面都是正方形，而且面积也是相等的。那么它的几何形状参数如下：

这个几何体的中体质量是和边长0.3米，密度7.8 ×103的正方体相同。我们假定这个方针实验的时间是t = 25s，那么操作的周期就可以定为T= 20s。以下就是我们通过多次的仿真实验获取的操控参变量数据值：

我们使用MSC.ADAMS仿真实验来对这个根据动力学原理建立的模型进行仿真实验结论是否正确的问题进行实质性的验证，同时也对这个仿真实验创设的相对应的模型作了有关的比较。我们基于试验后的数据得到这样的结论：机器手臂的柔韧度越高，机器手臂的尾部集中的力量也就会变得越大，与之相对应的是，机器发生颤抖的概率和现象就会升高，不过，针对尺寸上占优势的机器手臂来说，这种颤动幅度相对来说可以忽略不计，这就充分说明了新方法的介入，对于机器臂的控制效率确实有着明显的提升作用。

结论

通过以上的分析，我们看到，采用绝对坐标法，它集中了自然坐标法和端点坐标法的优势，并在此同时也创设了一种新的理论力学的模型：两连杆机器臂刚柔相济的柔性度研究。我们用了阿尔法法还有在实际工程操作中常常使用的scaling方法，创新出一种新的与之相对应的计算程序法，从而达到了理论力学的方程求值目标。

我们提出的轨迹追踪策略和控制操作方法，可以说是理想化思考模式的结果，这种方法的使用主要是PD战略的体现。方法的提出也帮助我们提高了机器手臂的轨迹追踪效果，以及指令控制操控的能力。