超冗余度桁架机械臂的容错逆运动学仿真.docxVIP

20传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2017年第36卷第1期

DOI:10.13873/J.1000-9787(2017)01-0020-04

超冗余度桁架机械臂的容错逆运动学仿真赵普

(上海交通大学航空航天学院，上海200240)

摘要：超冗余度桁架机械臂路径规划中的逆运动学解算为一非线性优化问题，桁架机械臂冗余度高，容错性好，由于传统方法速度和收敛性较慢，冗余性和容错性未能得到很好的利用。为解决此问题，引入收敛速度较快的对偶内点法，针对问题规模较大占用内存多的特点，设计了一种基于稀疏矩阵向量相乘的减小内存方案。搭建了仿真平台，进行了三组正常和故障状态逆向运动学仿真解算，结果表明：该方法收敛性好，解算迅速，在故障状态下的逆运动学解算也较为理想，适用于进一步实际应用。

关键词：超冗余度桁架机械臂；非线性优化；容错的逆运动学；三维仿真

中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1000-9787(2017)01-0020-04

Simulationonfault-tolerantinversekinematicsofhyper-redundanttrussmanipulator

ZHAOPu

(SchoolofAeronauticsandAstronautics,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Abstract:Inversekinematicresolvinginhyper-redundanttrussmanipulatorpathplanisanon-linearoptimizationproblem.Trussmaniplulatorhashighredundantandfaulttolerant,butduetolowconvergenceandrateoftraditionalalgorithms,redundancyandfaulttolerancearenotwellutilized.Tosolvethisproblem,afastinteriorpointalgorithmisimplemented.Toreducehighmemorycost,asparsematrix-vectormultiplication(SpMV)-basedmemory-decreasingalgorithmisintroduced.Simulationplatformisbuilt.Threesimulationresolvingareconductedforbothnormalandfaultconditions.Theresultsindicatethemethedhasgoodconvergence,fastresolvingrate,andinversekinematicsresolvingunderfaultconditionaswell,suitsforpracticalimplementation.

Keywords:hyper-redundanttrussmanipulator;nonlinearoptimization;fault-tolerantinversekinematics;3D

simulation

0引言

超冗余度桁架式机械臂(hyper-redundanttrussmani-pulator)是将常见的起重机桁架结构中部分杆改为线性驱动器而形成的一种并行机械臂，最常见的为空间八面体结构，其具有结构轻便，可覆盖空间广，高容错性等优点，一度被加拿大臂研究团队列为下一代国际空间站机械臂的候选1],各国学者针对冗余度解算的实时性进行了大量研究工作。在加拿大学者LeeRegina于2000年发表的博士论文里2],详细叙述了变桁架式机械臂(VGT)的定义及运动学控制。近几年，随着最优化方法的发展，并有学者开始将非线性优化中的序列二次规划法(sequ