1.3.2　空间机械臂自身特性分析

空间机械臂通常具有结构组成复杂、柔性特征明显、基座姿态存在扰动等特点^[1]，具体分析如下。

① 结构组成复杂。由于应用环境特殊，空间机械臂在太空服役过程中的维护、维修成本极高，若关节发生故障，将导致空间任务无法顺利完成。为保障空间机械臂具备足够的容错能力以应对空间任务，往往将冗余备份技术引入空间机械臂的关节设计中，通过为关节内部结构设置冗余备份项，提高关节可靠性，进而提升空间机械臂固有容错性能^[2-3]。然而，过多的驱动单元和复杂的机械结构，会使机械臂自身运动耦合特性与非线性增强，增加空间机械臂规划控制的复杂性，且复杂的机械结构也会使故障发生的概率提升。

② 柔性特征明显。为降低火箭升空过程中空间机械臂所带来的运载负担，空间机械臂常由高刚度轻质材料制造，具备轻量化的特点；为扩大空间机械臂的操作空间，拓展操作范围，空间机械臂还具有跨度大的特点。这些特点使得空间机械臂的柔性特征凸显，加之大负载操作任务使机械臂处于受力状态，连杆易产生弹性形变，影响空间机械臂的系统性能（如末端操作精度）。

③ 基座姿态存在扰动。微重力环境下，空间机械臂属于非完整约束多体系统，其基座常处于自由漂浮状态。由于机械臂与基座间存在运动耦合，机械臂运动会引起基座的位置与姿态发生改变，导致系统运动呈现不确定性。此外，基座姿态的改变会影响安装于其上的设备（如太阳帆板、通信天线等）的正常工作，影响航天器的能量获取与对地通信等。因此，在规划与控制机械臂执行空间任务时，需考虑基座的姿态扰动。

上述空间机械臂自身特性如图1-17所示。

图1-17　空间机械臂自身特性

除考虑上述特性外，关节角/关节速度/关节加速度极限、关节输出力矩极限等约束也会制约空间机械臂的操作能力。由此可见，空间机械臂结构特点、关节运动和输出力矩极限约束等特性对机械臂执行空间任务存在制约，空间机械臂复杂的机械结构会增大控制的复杂性和故障发生的概率；其结构的柔性特征使得其末端操作精度等性能易受连杆弹性形变影响；机械臂和自由漂浮基座间存在的耦合关系使得系统运动存在不确定性，同时空间任务的执行受基座姿态扰动的影响。因此，在规划和控制空间机械臂执行任务时，应充分考虑机械臂自身结构特点和关节输出力矩极限等约束的影响，设计相应的轨迹规划和控制方法，减小或消除机械臂结构的柔性特征对系统性能的不利影响，减少基座姿态扰动，使得空间机械臂尽可能顺利执行任务，并提升空间机械臂的使用可靠性。