有關人造機器手臂進行空間作業的技巧策略的分析綜述

劉繼輝 段旭彤

摘要：本文的研究主要是關于人造機器手臂在空間進行任務時柔韌度作用的探討。一般我們創設模型的時候都會采用舊有的有限元法以及質量法等等。但是實踐證明，這些都不能夠完全解決這個彈性變形，所以我們提出一種新的科學方法來解決問題，那就是使用絕對端點法來描寫機械臂的剛性度，同時還在這個基礎上使用質量法（兩連桿人造機器手臂的理論力學模型）來滿足進行機器手桿的精準定位的需要。

關鍵詞：機械臂，質量法，柔韌度，變形，定位

引言

近些年來，空間技術的發展越來越迅速。世界各國有關航空航天行業的探索研究也越來越深入。與此同時，空間技術的高要求也在與日俱增。我們對于宇宙的空間探索，尤其是空間站的建立也大大加深了我們對于這個宇宙除地球以外的領域的了解和探索。提到空間站的建設和發展，就不能不談到這個空間機器人的作用。

在外太空進行相關工作時，由于重力等資源條件與地球有極大不同的原因，我們面臨著許多對于人類本身而言是非常困難艱巨的任務，機器人的創造出現就為我們很好的解決了這個難題。在外太空的領域進行高難度強的工作，包括在軌支持、出倉回收等等這些都可以通過機器人來完成。這其中占據著重要地位的就是機器手臂。

無論是國內還是國外，在這一方面的研究都已經取得了很好的 成果，但是面對工作中還是會出現的問題，我們必須要做出進一步的研究和升級改造。總的來說，在空間站工作的機器手臂和人類的手足能力比較而言極具優勢。

機器人模型的手臂所采用的才智都是輕型的，它們的尺寸相對而言也會占據著一定的優勢。正是由于這些優點，所以它們才可以替代人類進行一些手足范圍之外的工作開展。但是機器手臂最大的缺點可能就是不能達到人類手臂的高度靈活性，所以有關機械臂的柔韌度建設的問題也就顯得格外突出。舊有的創設模型方式一般只是對于那些發生變形比較少的機器臂，但是那些比較大的變形問題，就不能大規模的使用這種傳統的模式創設。

如果我們換一個角度看待這個問題，我們就會發現，其實有些機械組成部分的構件還是會被當成一種剛性體，它們同時具備這種剛柔相濟的特質。假如我們可額以做到剛柔相濟動力學創設模型，那么這對于空間站工作的機器手臂的理論力學的功能特性的研究就會產生極大的影響和作用。

機器手臂本身就具備一定的柔韌性，而且它的尾端在進行抓取命令的時候一般可以進行較大重量的行為指令，但是我們為了降低這種手臂機器的軟性變形，它的使用壽命、增加它的精準定位能力，我們就看可以采取運動法，來對這個機器手臂做出符合理性實際特征的調整和規劃設計，同時開展有效地軌跡追蹤和機器設計與控制。這是策略的體現，也是機器優化升級的有效方法。

我們可以采用坐標法（這里特指自然坐標法，主要是一種坐標系的建立方法，根據一種沿著質點進行運動的軌跡創設的坐標系）來對這個體系剛性體的理論力學模型進行推算分析。但是我們今天提到的絕對端點建立坐標系的方法可以發揮出更優質的作用：對于機器手臂柔韌度的系統理論力學的模型創設問題研究的精確性。這個方法不僅能夠繼承了傳統方法的優越性，在舊有的基礎上體現了創新的表現。它不僅對于這種小型的變形可以使用，對于那些大型的變形問題同樣適用。如果我們可以把運用自然坐標法的同時再加上絕對端點方法，最后結合的結果就是絕對坐標法。

這個方法已經在業內被認可，它的使用范圍十分廣泛，尤其是關于機械臂剛柔相濟的問題研究上。傳統方法上，我們多是使用向量坐標，但是在創新后絕對坐標法中，我們采用了轉動坐標，這樣就可以更加方便快捷精準的描寫剛柔相濟的轉化和變性作用。

這篇文章主要是使用絕對坐標法進行模型建設，來解決機械臂的剛柔性問題。絕對坐標法的采用：自然坐標進行尾部質量的描寫，絕對端點法分散機械桿的柔韌度。采用計算機程序，進行參數分解，把最后取得的結果作為方案規劃設計的參考依據。同時，提出了軌跡追蹤策略，根據模仿實際的試驗，以上的設計規劃方案對于機器臂的變形問題有著顯著的降低效果。

1.機器臂的理論力學方程式

在空間站工作的機器臂的結構主要包括樞紐、臂桿等等多部分構成，機器人手臂的工作環境一般都是零重力的條件以及其他的外空間環境。機器臂之所以具備發生變形的條件，主要是由于它的內在柔性度和彈性。有關這一點可參考于登云的空間動力學模型建構的資料研究。具體方程式可參考相關的研究資料（空間機械臂建模方法與控制策略研究，榮吉利、楊永泰、李健、胡成威、劉 賓）。

2.軌跡追蹤控制策略（參考資料同上）

3.數據結果分析

機器手臂如果是在一個沒有重力存在的條件下，在最開始的實踐，內部的臂桿和外部的臂桿都是處于一個靜止的狀態，使用PD操控方案以及我們曾經提到的軌跡規劃，來進行內外部臂桿運動位置的具體操控，如果內外臂桿是采用的同種類型的材質，它們的材質參變量如下：

假如臂桿的橫截面都是正方形，而且面積也是相等的。那么它的幾何形狀參數如下：

這個幾何體的中體質量是和邊長0.3米，密度7.8 ×103的正方體相同。我們假定這個方針實驗的時間是t = 25s，那么操作的周期就可以定為T= 20s。以下就是我們通過多次的仿真實驗獲取的操控參變量數據值：

我們使用MSC.ADAMS仿真實驗來對這個根據動力學原理建立的模型進行仿真實驗結論是否正確的問題進行實質性的驗證，同時也對這個仿真實驗創設的相對應的模型作了有關的比較。我們基于試驗后的數據得到這樣的結論：機器手臂的柔韌度越高，機器手臂的尾部集中的力量也就會變得越大，與之相對應的是，機器發生顫抖的概率和現象就會升高，不過，針對尺寸上占優勢的機器手臂來說，這種顫動幅度相對來說可以忽略不計，這就充分說明了新方法的介入，對于機器臂的控制效率確實有著明顯的提升作用。

結論

通過以上的分析，我們看到，采用絕對坐標法，它集中了自然坐標法和端點坐標法的優勢，并在此同時也創設了一種新的理論力學的模型：兩連桿機器臂剛柔相濟的柔性度研究。我們用了阿爾法法還有在實際工程操作中常常使用的scaling方法，創新出一種新的與之相對應的計算程序法，從而達到了理論力學的方程求值目標。

我們提出的軌跡追蹤策略和控制操作方法，可以說是理想化思考模式的結果，這種方法的使用主要是PD戰略的體現。方法的提出也幫助我們提高了機器手臂的軌跡追蹤效果，以及指令控制操控的能力。