可構(gòu)成空間故障機(jī)械臂可行性研究

冀向陽(yáng) 文慶斌

摘 要：在機(jī)械臂學(xué)科之中的運(yùn)動(dòng)學(xué)科的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，它們重新定義研究了容錯(cuò)故障性質(zhì)機(jī)械臂、機(jī)械臂相對(duì)的理論階層、容錯(cuò)機(jī)制故障機(jī)械臂的與相對(duì)特定的任務(wù)故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制機(jī)械臂，從而認(rèn)證了憑借運(yùn)動(dòng)理論學(xué)關(guān)節(jié)性質(zhì)也具有提高系統(tǒng)的可靠性，故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制機(jī)械臂所需具有的自由性質(zhì)，并針對(duì)不大相同的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)性質(zhì)故障機(jī)制容錯(cuò)機(jī)械臂方案。憑借讓任務(wù)區(qū)間進(jìn)行抽象化成一些特點(diǎn)，并且在此時(shí)進(jìn)行機(jī)械臂的建立，與理想值相關(guān)的參數(shù)的罰函數(shù)，選定相對(duì)優(yōu)質(zhì)的優(yōu)算法，設(shè)想出一階比較通用的故障性質(zhì)容錯(cuò)并且實(shí)用平面位置的機(jī)械臂裝置，一階故障機(jī)制容錯(cuò)性質(zhì)空間位置通用機(jī)械臂，及特別選定的任務(wù)一階故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制平面位置通用機(jī)械臂，并且建立起較為完整故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制機(jī)械臂的正確方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)械移動(dòng)學(xué)，空間，重力學(xué)

在我國(guó)當(dāng)代不斷進(jìn)步的航天技術(shù)科學(xué)環(huán)境下，各種航天任務(wù)不約而同的增加，在空間大型機(jī)器人的研究上需求越來(lái)越大，空間之中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與載人大型航天飛機(jī)大型帶人航天飛行器械都是重要組成部分，空間大型機(jī)器人對(duì)在衛(wèi)星釋放工作、航天器的相接與回收、探視和維修等方面都能發(fā)揮重要的作用，比如說(shuō)美國(guó)宇航局航天載人飛機(jī)、正處于建設(shè)之中的著名國(guó)際空間站之類(lèi)的等都用了空間運(yùn)動(dòng)機(jī)器人（機(jī)械運(yùn)動(dòng)臂）?？臻g運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂它作為一個(gè)較長(zhǎng)使用壽命大型宇宙空間機(jī)構(gòu)部件，可靠性高、關(guān)節(jié)較多以及自由性質(zhì)較高的相互協(xié)助工作是它十分重要的顯著特點(diǎn)，關(guān)于如何合理的進(jìn)行設(shè)計(jì)方案、關(guān)于要怎么要科學(xué)的分配空間運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂的各種自由性質(zhì)，然后讓空間運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂對(duì)應(yīng)的故障關(guān)節(jié)失效的時(shí)候，該空間運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂仍然可以克服各種故障、從而穩(wěn)定的完成任務(wù)，一定會(huì)成為現(xiàn)代機(jī)械臂必備的條件與性能。

空間運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂也經(jīng)常運(yùn)用于核設(shè)備、手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)等一些相對(duì)重要的場(chǎng)合，在這些中藥任務(wù)之中，他，他們不但但要求運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂靈活性要高，更重要的顯著特點(diǎn)就是要具有較高可靠性能。要擁有相對(duì)強(qiáng)的容錯(cuò)性能，假設(shè)，假如延伸到核設(shè)備之中，或者人體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂，加入應(yīng)為某關(guān)節(jié)突發(fā)性障礙從而沒(méi)有完成預(yù)定任務(wù)，或不能進(jìn)行收回，這樣的后果將是多么的嚴(yán)重。

傳統(tǒng)依靠性能的方案只依靠使用較高質(zhì)量的器件，顯然這些還不夠，系統(tǒng)容錯(cuò)性也是十分有效的可靠結(jié)構(gòu)技術(shù)，它起源在馮.諾曼的電子計(jì)算機(jī)的可靠性運(yùn)作。鑒于如今主要從空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)性能的方向，認(rèn)證故障機(jī)制容錯(cuò)性能機(jī)械臂應(yīng)該擁有的自由度，和應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)故障性能呢個(gè)容錯(cuò)機(jī)制機(jī)械臂方案。基于假設(shè)：監(jiān)測(cè)空間機(jī)械臂的每一個(gè)自由度運(yùn)行狀態(tài)，一旦檢測(cè)有相對(duì)故障出現(xiàn)，則馬上使用安全閘將此關(guān)節(jié)進(jìn)行死鎖。最終，設(shè)計(jì)出擁有最小自由度的一階故障容錯(cuò)機(jī)制機(jī)械臂。

1 基本定義

首先，故障機(jī)制容錯(cuò)性質(zhì)機(jī)械臂的特性定義如下。

定義1

故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制機(jī)械臂：對(duì)于a自由性機(jī)械臂，當(dāng)它單一又或多種自由性產(chǎn)生故障并且死鎖在某角度的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂仍能完成任務(wù)需求，則叫此機(jī)械臂是具有故障機(jī)制容錯(cuò)性能的。

定義2

假設(shè)b階的故障性能容錯(cuò)機(jī)制機(jī)械臂：當(dāng)a自由性能機(jī)械臂之中的任意b個(gè)自由性質(zhì)又或少于b個(gè)自由性質(zhì)產(chǎn)生故障的時(shí)侯，仍可以完成任務(wù)，則叫此機(jī)械臂是b階故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制的。

定義3

故障性能容錯(cuò)機(jī)制通用機(jī)械臂：當(dāng)a自由性質(zhì)機(jī)械臂某故障關(guān)節(jié)死鎖在任意角度時(shí)候，空間機(jī)械臂仍可以完成任務(wù)，則叫此機(jī)械臂故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制通用機(jī)械臂。

定義4

選定任務(wù)雪球故障機(jī)制容錯(cuò)性質(zhì)機(jī)械臂：當(dāng)a自由性質(zhì)機(jī)械臂產(chǎn)生故障關(guān)節(jié)只能死鎖在選定的范圍，該機(jī)械臂才可以無(wú)視故障，完成任務(wù)，則叫此機(jī)械臂為選定任務(wù)故障性質(zhì)容錯(cuò)性能機(jī)械臂。

2 通用故障容錯(cuò)機(jī)械臂

對(duì)不冗余不容錯(cuò)的平面運(yùn)作位置運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂來(lái)說(shuō)，它最少的階數(shù)是二階，也可也說(shuō)只要設(shè)計(jì)的合理，兩個(gè)自由性質(zhì)平面運(yùn)作位置運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂可到達(dá)選定平面之中的的任意點(diǎn)。假如想要讓此機(jī)械臂擁有a階的故障性能容錯(cuò)機(jī)制的能力，最相對(duì)簡(jiǎn)單方案，要在全部關(guān)節(jié)并聯(lián)同時(shí)增加a個(gè)冗余的關(guān)節(jié)， L3與L2連接一個(gè)連桿L4，L1與L4形成兩個(gè)自由性質(zhì)平面位置運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂，相對(duì)故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制空間位置通用機(jī)械臂，應(yīng)為幾何的復(fù)雜性很大，想要證明最小自由性質(zhì)很難。但使用優(yōu)化性能技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出在三維立體空間中的一階故障機(jī)制它能夠用可靠度為5的自由性質(zhì)機(jī)械臂，。，測(cè)試a階故障機(jī)械臂的最小值為2a+3。

3 特定任務(wù)故障容錯(cuò)機(jī)械臂

上述是故障性質(zhì)容錯(cuò)性能通用機(jī)械臂的自由性質(zhì)分配和最終設(shè)計(jì)方案。關(guān)于a階故障性質(zhì)可靠性來(lái)說(shuō)，冗余度數(shù)是2a階，在這是在在假設(shè)任意關(guān)節(jié)都能死鎖任意角度前提下算出來(lái)的。但，生活中許多關(guān)節(jié)角度數(shù)變化區(qū)域應(yīng)為有目標(biāo)的局限，只要在特定的區(qū)域中進(jìn)行變化，從而不能產(chǎn)生死鎖于任意角度的狀況，在這種狀況下，能否用比較少的自由性質(zhì)得到相同的的故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制的要求呢？一下是對(duì)結(jié)論的假設(shè)。

假設(shè)空間中的某一物體是機(jī)械臂的工作目標(biāo)，也可以叫做空間區(qū)域。然而空間區(qū)域是一系列任意的點(diǎn)構(gòu)成的，該點(diǎn)可用于部分特征點(diǎn)用來(lái)表達(dá)，加入該機(jī)械臂可以達(dá)到這一系列的特征點(diǎn)，則該機(jī)械臂可以抵達(dá)所需的空間區(qū)域所有點(diǎn)。為它，把空間區(qū)域簡(jiǎn)化成為一些具有特征的目標(biāo)點(diǎn)，需要讓設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)械臂可以抵達(dá)所有特征點(diǎn)，在機(jī)械臂運(yùn)作過(guò)程中，任意關(guān)節(jié)產(chǎn)生故障的時(shí)候，馬上把該關(guān)節(jié)角進(jìn)行死鎖，該機(jī)械臂依然可以抵達(dá)全部目標(biāo)點(diǎn)，完成選定任務(wù)，則把此機(jī)械臂稱(chēng)為選定任務(wù)故障性質(zhì)容錯(cuò)機(jī)制機(jī)械臂。

4 結(jié)論

（1）分塊進(jìn)行建模和網(wǎng)格與細(xì)化相糅合，完美的地完成了纖維鋪設(shè)連續(xù)性要求的CAD和復(fù)合材料整體異形構(gòu)件復(fù)雜曲面構(gòu)形的技術(shù)難題，然而分為，可供復(fù)雜曲面CAD技術(shù)研究參考，也為了多分支整體異形支架復(fù)合材料構(gòu)件的方案提供了CAD軟件。

（2）混雜纖維復(fù)合材料的合理選擇，具有科學(xué)混雜的性質(zhì)，可以進(jìn)行有效的發(fā)揮“稱(chēng)為混雜效應(yīng)”，從而讓車(chē)架的擁有優(yōu)質(zhì)的機(jī)械性能，并且還可以把消耗降到最小。

（3）混雜纖維復(fù)合材料的構(gòu)思、分解、很重要，加入實(shí)用其它的分解方案，會(huì)變得非常有難度。而且應(yīng)用有限元方法給混雜纖維復(fù)合材料的方案優(yōu)化一條高效率的途徑。

（4）使用的全新材料、全新工藝現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和CAD技術(shù)高科技的巧妙運(yùn)用，對(duì)于整體異形構(gòu)件的運(yùn)用技術(shù)性的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]段紅杰.復(fù)合材料賽車(chē)仿生形態(tài)車(chē)架的CAD技術(shù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)機(jī)電工程系，1998：34-65.

[2]陳紹杰.復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1990：522-548.

[3]宋煥成.混雜纖維復(fù)合材料[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1988：45-78.

[4]陳立周.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995：154-157.