冗余机械臂奇异位置监测与路径规避方法

机器人运动过程中机械臂位姿奇异问题是由于机械臂逆向运动学解算的伪逆算法固有缺陷导致的，一般会发生在机械臂肘部关节趋近于零、处于安全停靠构型以及其他未知的状态。陷入奇异点后，通常采取路径规划方式避开，处置过程存在状态研判困难、规划耗时、再次操控仍然容易陷入奇异等问题。针对此问题，根据机械臂陷入奇异位置的逆运动学特点，提出了一种基于雅可比矩阵模值和条件数的预警方法和基于距离投影的运动路径处置方法，并进行了仿真验证。结果表明雅可比矩阵模值对奇异位置发生过程更为敏感，适合作为监测参数。

工业机器人是一种自动控制的、可再编程的多用途操作机械臂，一般由三个或以上的可编程关节组成[1]。近年来，机器人技术得到了快速发展。冗余自由度机械臂作为机器人行业中的主要分支，较于传统的六自由度机械臂具有高度的灵活性、可靠性和容错性，被广泛应用于社会的各个行业和领域[2] [3]。

冗余机械臂之所以具有以上的优点，是因为这类机械臂独有的冗余特征：给定一个机械臂位姿，通常有多组逆解与其对应同。促使其不但能够完成首要任务，还能够更好的实现人机交互、规避奇异位姿等性能[4] [5]。机械臂遥操作过程中，特别是信息传输大时延条件下，保证遥操作过程的安全性和稳定性是机械臂操控任务顺利实施的基本条件。机械臂操控过程中往往面临器臂碰撞、臂位姿奇异、臂关节角速度超速等风险。

机械臂位姿奇异问题是由于机械臂逆向运动学解算的伪逆算法固有缺陷导致的。一旦机械臂运动至奇异区，会导致该算法失效，操控无法进行下去，一般会发生在机械臂肘部关节趋近于零、处于安全停靠构型以及其他未知的状态。由于冗余机械臂和运动学算法固有特性，机械臂奇异位置理论上有无穷多个。目前的遥操作系统尚未对机械臂位姿奇异问题形成有效的预警和处置方法。陷入奇异点后，通常采取路径规划方式避开，处置过程存在状态研判困难、规划耗时、再次操控仍然容易陷入奇异等问题。本研究针对此问题，根据机械臂陷入奇异位置的逆运动学特点，提出来了一种基于雅可比矩阵模值和条件数的预警方法和基于距离投影的运动路径处置方法，并进行了仿真验证。

2. 机械臂基本构型 机械臂采用7 自由度近似对称构型，一端安装机械臂基座，一端安装快换装置。机械臂基座用于机械臂与卫星舱体连接，快换装置用于实现末端操作工具的更换和多模手眼相机的安装。机械臂由肩部三关节、肘部关节、腕部三关节、臂杆、快换装置、左/右多模手眼相机、末端监测相机、锁紧释放机构， 以及热控组件等几部分组成。肩部关节控制器用于控制肩部三关节及肘部关节。腕部关节控制器用于控制腕部三关节和快换装置以及实现与末端工具的通讯。表1 所示为机械臂MDH 参数，建立机械臂各杆件的坐标系如图1 所示，Z 轴为旋转轴，α 为杆件扭角，a 为杆件偏置，d 为杆件长度，θ 为杆件旋转角， {0}为基座坐标系。