可构成空间故障机械臂可行性研究

冀向阳 文庆斌

摘 要：在机械臂学科之中的运动学科的观点来看，它们重新定义研究了容错故障性质机械臂、机械臂相对的理论阶层、容错机制故障机械臂的与相对特定的任务故障性质容错机制机械臂，从而认证了凭借运动理论学关节性质也具有提高系统的可靠性，故障性质容错机制机械臂所需具有的自由性质，并针对不大相同的任务需求，设计性质故障机制容错机械臂方案。凭借让任务区间进行抽象化成一些特点，并且在此时进行机械臂的建立，与理想值相关的参数的罚函数，选定相对优质的优算法，设想出一阶比较通用的故障性质容错并且实用平面位置的机械臂装置，一阶故障机制容错性质空间位置通用机械臂，及特别选定的任务一阶故障性质容错机制平面位置通用机械臂，并且建立起较为完整故障性质容错机制机械臂的正确方案。

关键词：机械移动学，空间，重力学

在我国当代不断进步的航天技术科学环境下，各种航天任务不约而同的增加，在空间大型机器人的研究上需求越来越大，空间之中的实验平台与载人大型航天飞机大型带人航天飞行器械都是重要组成部分，空间大型机器人对在卫星释放工作、航天器的相接与回收、探视和维修等方面都能发挥重要的作用，比如说美国宇航局航天载人飞机、正处于建设之中的著名国际空间站之类的等都用了空间运动机器人（机械运动臂）。空间运动机械臂它作为一个较长使用寿命大型宇宙空间机构部件，可靠性高、关节较多以及自由性质较高的相互协助工作是它十分重要的显著特点，关于如何合理的进行设计方案、关于要怎么要科学的分配空间运动机械臂的各种自由性质，然后让空间运动机械臂对应的故障关节失效的时候，该空间运动机械臂仍然可以克服各种故障、从而稳定的完成任务，一定会成为现代机械臂必备的条件与性能。

空间运动机械臂也经常运用于核设备、手术现场等一些相对重要的场合，在这些中药任务之中，他，他们不但但要求运动机械臂灵活性要高，更重要的显著特点就是要具有较高可靠性能。要拥有相对强的容错性能，假设，假如延伸到核设备之中，或者人体内的运动机械臂，加入应为某关节突发性障碍从而没有完成预定任务，或不能进行收回，这样的后果将是多么的严重。

传统依靠性能的方案只依靠使用较高质量的器件，显然这些还不够，系统容错性也是十分有效的可靠结构技术，它起源在冯.诺曼的电子计算机的可靠性运作。鉴于如今主要从空间机械臂运动性能的方向，认证故障机制容错性能机械臂应该拥有的自由度，和应对不同的任务需求，设计故障性能呢个容错机制机械臂方案。基于假设：监测空间机械臂的每一个自由度运行状态，一旦检测有相对故障出现，则马上使用安全闸将此关节进行死锁。最终，设计出拥有最小自由度的一阶故障容错机制机械臂。

1 基本定义

首先，故障机制容错性质机械臂的特性定义如下。

定义1

故障性质容错机制机械臂：对于a自由性机械臂，当它单一又或多种自由性产生故障并且死锁在某角度的时候，运动机械臂仍能完成任务需求，则叫此机械臂是具有故障机制容错性能的。

定义2

假设b阶的故障性能容错机制机械臂：当a自由性能机械臂之中的任意b个自由性质又或少于b个自由性质产生故障的时侯，仍可以完成任务，则叫此机械臂是b阶故障性质容错机制的。

定义3

故障性能容错机制通用机械臂：当a自由性质机械臂某故障关节死锁在任意角度时候，空间机械臂仍可以完成任务，则叫此机械臂故障性质容错机制通用机械臂。

定义4

选定任务雪球故障机制容错性质机械臂：当a自由性质机械臂产生故障关节只能死锁在选定的范围，该机械臂才可以无视故障，完成任务，则叫此机械臂为选定任务故障性质容错性能机械臂。

2 通用故障容错机械臂

对不冗余不容错的平面运作位置运动机械臂来说，它最少的阶数是二阶，也可也说只要设计的合理，两个自由性质平面运作位置运动机械臂可到达选定平面之中的的任意点。假如想要让此机械臂拥有a阶的故障性能容错机制的能力，最相对简单方案，要在全部关节并联同时增加a个冗余的关节， L3与L2连接一个连杆L4，L1与L4形成两个自由性质平面位置运动机械臂，相对故障性质容错机制空间位置通用机械臂，应为几何的复杂性很大，想要证明最小自由性质很难。但使用优化性能技术，可以设计出在三维立体空间中的一阶故障机制它能够用可靠度为5的自由性质机械臂，。，测试a阶故障机械臂的最小值为2a+3。

3 特定任务故障容错机械臂

上述是故障性质容错性能通用机械臂的自由性质分配和最终设计方案。关于a阶故障性质可靠性来说，冗余度数是2a阶，在这是在在假设任意关节都能死锁任意角度前提下算出来的。但，生活中许多关节角度数变化区域应为有目标的局限，只要在特定的区域中进行变化，从而不能产生死锁于任意角度的状况，在这种状况下，能否用比较少的自由性质得到相同的的故障性质容错机制的要求呢？一下是对结论的假设。

假设空间中的某一物体是机械臂的工作目标，也可以叫做空间区域。然而空间区域是一系列任意的点构成的，该点可用于部分特征点用来表达，加入该机械臂可以达到这一系列的特征点，则该机械臂可以抵达所需的空间区域所有点。为它，把空间区域简化成为一些具有特征的目标点，需要让设计出来的机械臂可以抵达所有特征点，在机械臂运作过程中，任意关节产生故障的时候，马上把该关节角进行死锁，该机械臂依然可以抵达全部目标点，完成选定任务，则把此机械臂称为选定任务故障性质容错机制机械臂。

4 结论

（1）分块进行建模和网格与细化相糅合，完美的地完成了纤维铺设连续性要求的CAD和复合材料整体异形构件复杂曲面构形的技术难题，然而分为，可供复杂曲面CAD技术研究参考，也为了多分支整体异形支架复合材料构件的方案提供了CAD软件。

（2）混杂纤维复合材料的合理选择，具有科学混杂的性质，可以进行有效的发挥“称为混杂效应”，从而讓车架的拥有优质的机械性能，并且还可以把消耗降到最小。

（3）混杂纤维复合材料的构思、分解、很重要，加入实用其它的分解方案，会变得非常有难度。而且应用有限元方法给混杂纤维复合材料的方案优化一条高效率的途径。

（4）使用的全新材料、全新工艺现代设计方法和CAD技术高科技的巧妙运用，对于整体异形构件的运用技术性的发展起到至关重要的作用。

参考文献：

[1]段红杰.复合材料赛车仿生形态车架的CAD技术研究[D].北京：北京航空航天大学机电工程系，1998：34-65.

[2]陈绍杰.复合材料设计手册[M].北京：航空工业出版社，1990：522-548.

[3]宋焕成.混杂纤维复合材料[M].北京：北京航空航天大学出版社，1988：45-78.

[4]陈立周.机械优化设计方法[M].北京：国防工业出版社，1995：154-157.