基于分層結構的空間機械臂多約束任務規劃

范學慧 李愛民 安淑女

摘 要：近年來，隨著經濟社會的發展，各種類型的空間機械臂大量應用。空間機械臂不同于其他的工具設備，具有明顯的在軌環境復雜、約束條件多、實際任務多元化的情形特點，在充分考慮到空間機械臂的具體特點后，專門提出了一種基于分層結構的多約束任務規劃方法。根據不同使用環境將任務規劃進行了專門劃分，包括任務剖面分析和任務中間點規劃這兩個層面，通過實際的研究分析，可以很好的發揮空間機械臂的功效作用。

關鍵詞：分層結構；空間機械臂；多約束；任務規劃

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.032

0 引言

進入新世紀以來，各種類型的航空航天設備的發射大量進行，許多操作是很難通過人力進行的，在完成的過程中都不可避免的需要借助空間機械臂的作用，通過空間機械臂的使用，可以完成很多高難度超繁重的動作任務，減少了以往人力操作過程中可能發生的安全事故，更是將人力從繁重危險的作業環境中解放出來。相對來說，空間機械臂在航空航天活動中近年來使用頻度不斷增加，它所應用的環境也是非常復雜的，總體來說，它是處在比較狹小、復雜，并且供給不容易提供的特殊環境中，大量的操作實踐說明，空間機械臂所替代開展的工作，成功率往往比較高，不僅保護了特殊環境下作業人員的生命安全，而且實際的運行維護費用也比較少。針對空間機械臂的特點，就需要在空間機械臂路徑規劃上層引入任務規劃，通過這樣的任務規劃，可以提升作業的針對性，有助于空間機械臂在相對復雜的環境下高效的完成高難度任務的分析、拆解與規劃的能力，也有助于完成不同層次下任務所需要資源的優化配置。

1 當前空間機械臂多約束任務規劃發展基本現狀

圍繞空間機械臂的任務規劃理念，歐美發達國家進行了理論研究比較多一些，在國內，雖然起步晚，但是，隨著我國航空航天事業的發展，也已經取得了許多理論性內容的突破，這對于加快空間機械臂的實踐應用作用是非常明顯的。從當前各種不同類型的調查研究中可以看出，無論是國內還是國外，圍繞空間機械臂的實際運動規劃等方面的研究還是有相當的一致性的，在基本的優化方法等多個方面體現的相似性非常明顯，很大一部分型的空間任務規劃，在適用范圍上主要是集中在有關的關節等方面的一系列規劃當中，然而，在一些相對復雜的空間場合中有些要求還是很難落實到位的。

2 研究的基本思路

相對而言，空間機械臂控制系統是一個非常復雜的組成部分，其中包含著大量的科學技術研究成果，如果沒有一定的技術支撐，是很難做到有效運用的，它的控制系統是一個非常重要的組成部分，包括的也比較復雜，按照一定的標準可以劃分為任務規劃、路徑規劃和運動控制。在這三個基本的組成部分當中，任務規劃是最為重要的部分，它對其他部分的影響和控制作用也比較明顯，從實際使用功能上來看，它的基本的目標任務就是找尋相關的任務目標，對這些任務是否可以通過機械臂操作進行深入的分析，對任務的性質、類型、強度等進行全面研判，在此基礎上，將任務分解到各個環節和流程當中，這樣就可以把在實際操作中比較復雜的內容項目轉化成為機械臂能夠理解和很好操作的動作序列，這樣有助于各項工作的順利開展。機械臂在完成相關動作任務上并非嚴格按照一定的路徑來進行操作，而是根據不同的任務目標，進而決定接下來可能需要的基本方式，在這個過程中，空間機械臂可能會應用到不同的資源，這些都要求要努力對相關的資源進行統籌安排，這樣就能掌握所有資源的使用情況，也能有效的降低各種類型資源的浪費現象。為了確保研究效果，本篇文章將空間機械臂主要劃分為了兩個階段：最初的就是對任務目標的接受，根據空間機械臂的實際使用情況將所接收到的任務分解為相對簡單的任務內容，從邏輯層面確保相關的任務能夠順利完成。

3 從分層任務網絡的角度對任務剖面進行的相關分析

（1）分層任務網絡和通用規劃算法。HTN規劃在實際使用的過程中主要采用的是任務分解的思想方法，通過的規劃方式是將復雜的非原任務逐層拆解為執行器可以直接執行的原任務。HTN則是將相對復雜的任務從狀態不可控的狀態，抽象出其本質的內容，形成可以指導工作開展的任務目標，這樣所要完成的任務就由繁復變成了相對簡單的分層結構，在分層結構上，任務分解上都是層層分解，直到最后不能再分解為止。HTN規劃域則由原任務的“算子集”和復合任務的拆解“方法集”構成，給定目標任務和當前環境狀態后，規劃器利用規劃域中的方法化簡任務，這樣就可以制定出基本可行的動作序列來，通過化繁為簡的操作思路也有助于相對復雜任務的完成。

（2）針對空間機械臂任務剖面的基本分析。雖然可以通過HTN規劃方法將復雜的任務簡單化，但是，在實際操作的過程中有太多過于抽象的內容，整個工作過程需要大量的高精尖專業技術人員的配合，這在工作完成過程中隨時都可能出現一系列的問題，為此，可以針對空間機械臂具體應用的場景，設計規劃器各組成單元。通常的研究方法是提出一種機械臂工作環境的狀態表征方法，并給出相應的環境狀態比較方法和狀態轉移公式，同時，還需要對機械臂的原任務集合及其算子一并進行相關的定義，大量的應用實踐證明，通過將規劃要素實例化，可以很好的實現基于HTN的空間機械臂任務剖面分析。經過實例化的HTN規劃在交通運輸、危機災害事故處置等方面可以進行很好的應用，這在很大程度上得益于負責其底層執行的人具有相應的自主能力，然而對于空間機械臂這類無自主執行能力的對象，HTN給出的原任務在很多時候不容易操作的。

4 結束語

隨著今后我國航空航天事業的快速發展，空間機械臂將會有更加寬廣的應用范圍，為了充分發揮空間機械臂的功效作用，對于基于分層結構的空間機械臂多約束任務規劃相關內容必須進行更加深入的研究，只有這樣，才能更好的應用空間機械臂，更好的助力航空航天事業的發展。

參考文獻：

[1]鄭棋棋，湯奇榮，張凌楷，黎杰，謝宗武，劉宏.空間機械臂建模及分析方法綜述[J].載人航天，2017，23（01）：82-97.

[2]葉平，何雷，宋爽，孫漢旭.空間機械臂地面微重力混合模擬方法研究[J].機器人，2013，35（03）：299-305+312.

作者簡介：范學慧（1980-），女，吉林長春人，研究生，講師，研究方向：電氣自動化、人工智能。