基于分層結(jié)構(gòu)的空間機(jī)械臂多約束任務(wù)規(guī)劃

范學(xué)慧 李愛民 安淑女

摘 要：近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，各種類型的空間機(jī)械臂大量應(yīng)用?？臻g機(jī)械臂不同于其他的工具設(shè)備，具有明顯的在軌環(huán)境復(fù)雜、約束條件多、實(shí)際任務(wù)多元化的情形特點(diǎn)，在充分考慮到空間機(jī)械臂的具體特點(diǎn)后，專門提出了一種基于分層結(jié)構(gòu)的多約束任務(wù)規(guī)劃方法。根據(jù)不同使用環(huán)境將任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行了專門劃分，包括任務(wù)剖面分析和任務(wù)中間點(diǎn)規(guī)劃這兩個(gè)層面，通過實(shí)際的研究分析，可以很好的發(fā)揮空間機(jī)械臂的功效作用。

關(guān)鍵詞：分層結(jié)構(gòu)；空間機(jī)械臂；多約束；任務(wù)規(guī)劃

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

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，各種類型的航空航天設(shè)備的發(fā)射大量進(jìn)行，許多操作是很難通過人力進(jìn)行的，在完成的過程中都不可避免的需要借助空間機(jī)械臂的作用，通過空間機(jī)械臂的使用，可以完成很多高難度超繁重的動(dòng)作任務(wù)，減少了以往人力操作過程中可能發(fā)生的安全事故，更是將人力從繁重危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境中解放出來。相對(duì)來說，空間機(jī)械臂在航空航天活動(dòng)中近年來使用頻度不斷增加，它所應(yīng)用的環(huán)境也是非常復(fù)雜的，總體來說，它是處在比較狹小、復(fù)雜，并且供給不容易提供的特殊環(huán)境中，大量的操作實(shí)踐說明，空間機(jī)械臂所替代開展的工作，成功率往往比較高，不僅保護(hù)了特殊環(huán)境下作業(yè)人員的生命安全，而且實(shí)際的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也比較少。針對(duì)空間機(jī)械臂的特點(diǎn)，就需要在空間機(jī)械臂路徑規(guī)劃上層引入任務(wù)規(guī)劃，通過這樣的任務(wù)規(guī)劃，可以提升作業(yè)的針對(duì)性，有助于空間機(jī)械臂在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境下高效的完成高難度任務(wù)的分析、拆解與規(guī)劃的能力，也有助于完成不同層次下任務(wù)所需要資源的優(yōu)化配置。

1 當(dāng)前空間機(jī)械臂多約束任務(wù)規(guī)劃發(fā)展基本現(xiàn)狀

圍繞空間機(jī)械臂的任務(wù)規(guī)劃理念，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行了理論研究比較多一些，在國(guó)內(nèi)，雖然起步晚，但是，隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，也已經(jīng)取得了許多理論性內(nèi)容的突破，這對(duì)于加快空間機(jī)械臂的實(shí)踐應(yīng)用作用是非常明顯的。從當(dāng)前各種不同類型的調(diào)查研究中可以看出，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，圍繞空間機(jī)械臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等方面的研究還是有相當(dāng)?shù)囊恢滦缘?，在基本的?yōu)化方法等多個(gè)方面體現(xiàn)的相似性非常明顯，很大一部分型的空間任務(wù)規(guī)劃，在適用范圍上主要是集中在有關(guān)的關(guān)節(jié)等方面的一系列規(guī)劃當(dāng)中，然而，在一些相對(duì)復(fù)雜的空間場(chǎng)合中有些要求還是很難落實(shí)到位的。

2 研究的基本思路

相對(duì)而言，空間機(jī)械臂控制系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的組成部分，其中包含著大量的科學(xué)技術(shù)研究成果，如果沒有一定的技術(shù)支撐，是很難做到有效運(yùn)用的，它的控制系統(tǒng)是一個(gè)非常重要的組成部分，包括的也比較復(fù)雜，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制。在這三個(gè)基本的組成部分當(dāng)中，任務(wù)規(guī)劃是最為重要的部分，它對(duì)其他部分的影響和控制作用也比較明顯，從實(shí)際使用功能上來看，它的基本的目標(biāo)任務(wù)就是找尋相關(guān)的任務(wù)目標(biāo)，對(duì)這些任務(wù)是否可以通過機(jī)械臂操作進(jìn)行深入的分析，對(duì)任務(wù)的性質(zhì)、類型、強(qiáng)度等進(jìn)行全面研判，在此基礎(chǔ)上，將任務(wù)分解到各個(gè)環(huán)節(jié)和流程當(dāng)中，這樣就可以把在實(shí)際操作中比較復(fù)雜的內(nèi)容項(xiàng)目轉(zhuǎn)化成為機(jī)械臂能夠理解和很好操作的動(dòng)作序列，這樣有助于各項(xiàng)工作的順利開展。機(jī)械臂在完成相關(guān)動(dòng)作任務(wù)上并非嚴(yán)格按照一定的路徑來進(jìn)行操作，而是根據(jù)不同的任務(wù)目標(biāo)，進(jìn)而決定接下來可能需要的基本方式，在這個(gè)過程中，空間機(jī)械臂可能會(huì)應(yīng)用到不同的資源，這些都要求要努力對(duì)相關(guān)的資源進(jìn)行統(tǒng)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(fèi)現(xiàn)象。為了確保研究效果，本篇文章將空間機(jī)械臂主要?jiǎng)澐譃榱藘蓚€(gè)階段：最初的就是對(duì)任務(wù)目標(biāo)的接受，根據(jù)空間機(jī)械臂的實(shí)際使用情況將所接收到的任務(wù)分解為相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)內(nèi)容，從邏輯層面確保相關(guān)的任務(wù)能夠順利完成。

3 從分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的角度對(duì)任務(wù)剖面進(jìn)行的相關(guān)分析

（1）分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)和通用規(guī)劃算法。HTN規(guī)劃在實(shí)際使用的過程中主要采用的是任務(wù)分解的思想方法，通過的規(guī)劃方式是將復(fù)雜的非原任務(wù)逐層拆解為執(zhí)行器可以直接執(zhí)行的原任務(wù)。HTN則是將相對(duì)復(fù)雜的任務(wù)從狀態(tài)不可控的狀態(tài)，抽象出其本質(zhì)的內(nèi)容，形成可以指導(dǎo)工作開展的任務(wù)目標(biāo)，這樣所要完成的任務(wù)就由繁復(fù)變成了相對(duì)簡(jiǎn)單的分層結(jié)構(gòu)，在分層結(jié)構(gòu)上，任務(wù)分解上都是層層分解，直到最后不能再分解為止。HTN規(guī)劃域則由原任務(wù)的“算子集”和復(fù)合任務(wù)的拆解“方法集”構(gòu)成，給定目標(biāo)任務(wù)和當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)后，規(guī)劃器利用規(guī)劃域中的方法化簡(jiǎn)任務(wù)，這樣就可以制定出基本可行的動(dòng)作序列來，通過化繁為簡(jiǎn)的操作思路也有助于相對(duì)復(fù)雜任務(wù)的完成。

（2）針對(duì)空間機(jī)械臂任務(wù)剖面的基本分析。雖然可以通過HTN規(guī)劃方法將復(fù)雜的任務(wù)簡(jiǎn)單化，但是，在實(shí)際操作的過程中有太多過于抽象的內(nèi)容，整個(gè)工作過程需要大量的高精尖專業(yè)技術(shù)人員的配合，這在工作完成過程中隨時(shí)都可能出現(xiàn)一系列的問題，為此，可以針對(duì)空間機(jī)械臂具體應(yīng)用的場(chǎng)景，設(shè)計(jì)規(guī)劃器各組成單元。通常的研究方法是提出一種機(jī)械臂工作環(huán)境的狀態(tài)表征方法，并給出相應(yīng)的環(huán)境狀態(tài)比較方法和狀態(tài)轉(zhuǎn)移公式，同時(shí)，還需要對(duì)機(jī)械臂的原任務(wù)集合及其算子一并進(jìn)行相關(guān)的定義，大量的應(yīng)用實(shí)踐證明，通過將規(guī)劃要素實(shí)例化，可以很好的實(shí)現(xiàn)基于HTN的空間機(jī)械臂任務(wù)剖面分析。經(jīng)過實(shí)例化的HTN規(guī)劃在交通運(yùn)輸、危機(jī)災(zāi)害事故處置等方面可以進(jìn)行很好的應(yīng)用，這在很大程度上得益于負(fù)責(zé)其底層執(zhí)行的人具有相應(yīng)的自主能力，然而對(duì)于空間機(jī)械臂這類無自主執(zhí)行能力的對(duì)象，HTN給出的原任務(wù)在很多時(shí)候不容易操作的。

4 結(jié)束語

隨著今后我國(guó)航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，空間機(jī)械臂將會(huì)有更加寬廣的應(yīng)用范圍，為了充分發(fā)揮空間機(jī)械臂的功效作用，對(duì)于基于分層結(jié)構(gòu)的空間機(jī)械臂多約束任務(wù)規(guī)劃相關(guān)內(nèi)容必須進(jìn)行更加深入的研究，只有這樣，才能更好的應(yīng)用空間機(jī)械臂，更好的助力航空航天事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭棋棋，湯奇榮，張凌楷，黎杰，謝宗武，劉宏.空間機(jī)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(jī)械臂地面微重力混合模擬方法研究[J].機(jī)器人，2013，35（03）：299-305+312.

作者簡(jiǎn)介：范學(xué)慧（1980-），女，吉林長(zhǎng)春人，研究生，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化、人工智能。