范學(xué)慧 李愛民 安淑女

摘 要：近年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，各種類型的空間機械臂大量應(yīng)用。空間機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、實際任務(wù)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(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)劃進行了專門劃分，包括任務(wù)剖面分析和任務(wù)中間點規(guī)劃這兩個層面，通過實際的研究分析，可以很好的發(fā)揮空間機械臂的功效作用。

關(guān)鍵詞：分層結(jié)構(gòu)；空間機械臂；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(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的作業(yè)環(huán)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(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(huán)境下作業(yè)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(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)的針對性，有助于空間機械臂在相對復(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)前空間機械臂多約束任務(wù)規(guī)劃發(fā)展基本現(xiàn)狀

圍繞空間機械臂的任務(wù)規(guī)劃理念，歐美發(fā)達國家進行了理論研究比較多一些，在國內(nèi)，雖然起步晚，但是，隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，也已經(jīng)取得了許多理論性內(nèi)容的突破，這對于加快空間機械臂的實踐應(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，無論是國內(nèi)還是國外，圍繞空間機械臂的實際運動規(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，在一些相對復(fù)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(tǒng)是一個非常復(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，是很難做到有效運用的，它的控制系統(tǒng)是一個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)劃和運動控制。在這三個基本的組成部分當(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(biāo)任務(wù)就是找尋相關(guān)的任務(wù)目標(biāo)，對這些任務(wù)是否可以通過機械臂操作進行深入的分析，對任務(wù)的性質(zhì)、類型、強度等進行全面研判，在此基礎(chǔ)上，將任務(wù)分解到各個環(huán)節(jié)和流程當(dāng)中，這樣就可以把在實際操作中比較復(fù)雜的內(nèi)容項目轉(zhuǎn)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(guān)動作任務(wù)上并非嚴格按照一定的路徑來進行操作，而是根據(jù)不同的任務(wù)目標(biāo)，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(yīng)用到不同的資源，這些都要求要努力對相關(guān)的資源進行統(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現(xiàn)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(wù)目標(biāo)的接受，根據(jù)空間機械臂的實際使用情況將所接收到的任務(wù)分解為相對簡單的任務(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)的角度對任務(wù)剖面進行的相關(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)變成了相對簡單的分層結(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)劃域中的方法化簡任務(wù)，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(fù)雜任務(wù)的完成。

（2）針對空間機械臂任務(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)簡單化，但是，在實際操作的過程中有太多過于抽象的內(nèi)容，整個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都可能出現(xiàn)一系列的問題，為此，可以針對空間機械臂具體應(yīng)用的場景，設(shè)計規(guī)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(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，還需要對機械臂的原任務(wù)集合及其算子一并進行相關(guān)的定義，大量的應(yīng)用實踐證明，通過將規(guī)劃要素實例化，可以很好的實現(xiàn)基于HTN的空間機械臂任務(wù)剖面分析。經(jīng)過實例化的HTN規(guī)劃在交通運輸、危機災(zāi)害事故處置等方面可以進行很好的應(yīng)用，這在很大程度上得益于負責(zé)其底層執(zhí)行的人具有相應(yīng)的自主能力，然而對于空間機械臂這類無自主執(zhí)行能力的對象，HTN給出的原任務(wù)在很多時候不容易操作的。

4 結(jié)束語

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

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作者簡介：范學(xué)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。