随着我国航天事业的不断发展和空间探索的不断深入,空间机械臂作为一类复杂机电系统发挥着越来越重要的作用,其在长生命周期内的运动可靠性对空间在轨任务的成败起着决定性的作用。空间机械臂在轨服役过程中,会受到空间环境强辐射和高低温交变等的影响,各运动部件不可避免的会发生失效,考虑到空间机械臂在轨维修和更换的困难,提升失效后的任务完成能力,降低失效对健康部件的影响对于空间机械臂在轨长期稳定运行具有重要的意义。因此,针对空间机械臂常态和失效状态下开展运动可靠性优化控制,以常态下任务完成效果最优化和失效状态下的任务完成概率最大化为目标,符合我国空间机械臂长期在轨稳定安全服役的战略目标,对于国家空间探索具有显著的经济性和实用性。本论文的研究内容来源于国家973课题“航天机构使用可靠性系统控制基础理论研究”(2013CB733005),以大型空间机械臂作为研究对象,以提升空间机械臂运动可靠性为目标,重点针对空间机械臂典型任务的运动可靠性评估、常态和非常态(失效状态)下的运动可靠性优化控制等关键技术进行深入的分析和研究,本文的主要工作如下:1.空间机械臂运动可靠性评估模型建立。面向空间机械臂典型在轨任务,以空间机械臂末端精度作为评价指标,建立典型任务的运动可靠性数学描述;综合考虑影响空间机械臂末端位置精度的各类因素,建立影响因素的多层映射模型,进而建立起空间机械臂典型任务的运动可靠性评估模型;开展空间机械臂运动可靠性评估模型解算方法研究,基于等效极值原则对评估模型进行简化,引入最大熵原理对概率密度函数进行求解,实现对空间机械臂典型在轨任务的运动可靠性评估。2.基于运动可靠性的空间机械臂优化控制。开展运动可靠性影响因素作用机理分析,融入空间机械臂在轨任务约束,提出一种基于非线性响应面法的运动可靠性灵敏度分析方法,实现对各类因素灵敏度的快速求解。基于灵敏度分析结果对运动可靠性影响因素集进行筛选,确立运动可靠性优化控制的决策变量;考虑空间机械臂运动可靠性受自身结构、环境和任务约束和在轨任务多样性的影响,提出基于多子目标的运动可靠性指标表征方法,并建立起多评价指标和多影响因素融合的运动可靠性优化控制模型。基于协方差矩阵实现多目标向单一目标的转化,实现优化控制模型的求解。3.面向关节失效的空间机械臂容错性能评估及应对策略设计。建立空间机械臂关节锁死失效后的性能评价体系,针对空间机械臂关节锁死失效时容错空间较小这一弊端,引入关节可靠性提出了一种空间机械臂的可靠容错空间的评价方法,有效地拓展了关节失效时的任务可行空间。在此基础上,融入关节失效性能评估与在轨任务操作冗余性信息,设计空间机械臂容错应对策略,形成以关节锁死失效下空间机械臂运动性能评估为前端输入,以各类工况下的容错策略为输出的空间机械臂非常态控制决策。4.关节失效时空间机械臂参数突变抑制控制策略研究。针对关节失效引发的运动参数(速度、力矩)突变,以确保任务完成和提升任务完成性能为目标,开展参数突变抑制方法研究。分别建立速度突变和冲击力矩模型,并空间机械臂可操作度梯度作为参数补偿权重,构造全局参数补偿项,在全任务周期内进行参数补偿,从而规避故障后补偿引发的时延问题;建立以参数突变最小为目标的目标函数,以补偿项系数为决策变量,基于最优化方法得到最优解,从而实现面向任意单一关节失效的参数突变抑制控制。5.关节失效时空间机械臂典型工况的运动可靠性优化控制。针对空间机械臂空载和负载操作任务,建立其关节失效下的运动可靠性优化控制模型,考虑不同任务约束和突变运动参数的不同,开展多参数突变抑制策略研究。同时为了应对突发关节失效,基于先验信息开展参数补偿最优函数的拟合方法研究,能够实现针对任意时刻关节失效引发的参数突变抑制。6.基于运动可靠性的空间机械臂优化控制实验研究。面向空间机械臂运动可靠性优化控制相关理论的验证需求,开展微重力气浮实验平台的传感器布局设计和数据采集系统设计,优化人机交互软件,设计机械臂不同工况下的空载与负载实验,实验结果验证了空间机械臂运动可靠性优化控制相关理论的可行性和有效性。