摘 要：近年来，随着經济社会的发展，各种类型的空间机械臂大量应用。空间机械臂不同于其他的工具设备，具有明显的在轨环境复杂、约束条件多、实际任务多元化的情形特点，在充分考虑到空间机械臂的具体特点后，专门提出了一种基于分层结构的多约束任务规划方法。根据不同使用环境将任务规划进行了专门划分，包括任务剖面分析和任务中间点规划这两个层面，通过实际的研究分析，可以很好的发挥空间机械臂的功效作用。

关键词：分层结构；空间机械臂；多约束；任务规划

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

0 引言

进入新世纪以来，各种类型的航空航天设备的发射大量进行，许多操作是很难通过人力进行的，在完成的过程中都不可避免的需要借助空间机械臂的作用，通过空间机械臂的使用，可以完成很多高难度超繁重的动作任务，减少了以往人力操作过程中可能发生的安全事故，更是将人力从繁重危险的作业环境中解放出来。相对来说，空间机械臂在航空航天活动中近年来使用频度不断增加，它所应用的环境也是非常复杂的，总体来说，它是处在比较狭小、复杂，并且供给不容易提供的特殊环境中，大量的操作实践说明，空间机械臂所替代开展的工作，成功率往往比较高，不仅保护了特殊环境下作业人员的生命安全，而且实际的运行维护费用也比较少。针对空间机械臂的特点，就需要在空间机械臂路径规划上层引入任务规划，通过这样的任务规划，可以提升作业的针对性，有助于空间机械臂在相对复杂的环境下高效的完成高难度任务的分析、拆解与规划的能力，也有助于完成不同层次下任务所需要资源的优化配置。

1 当前空间机械臂多约束任务规划发展基本现状

围绕空间机械臂的任务规划理念，欧美发达国家进行了理论研究比较多一些，在国内，虽然起步晚，但是，随着我国航空航天事业的发展，也已经取得了许多理论性内容的突破，这对于加快空间机械臂的实践应用作用是非常明显的。从当前各种不同类型的调查研究中可以看出，无论是国内还是国外，围绕空间机械臂的实际运动规划等方面的研究还是有相当的一致性的，在基本的优化方法等多个方面体现的相似性非常明显，很大一部分型的空间任务规划，在适用范围上主要是集中在有关的关节等方面的一系列规划当中，然而，在一些相对复杂的空间场合中有些要求还是很难落实到位的。

2 研究的基本思路

相对而言，空间机械臂控制系统是一个非常复杂的组成部分，其中包含着大量的科学技术研究成果，如果没有一定的技术支撑，是很难做到有效运用的，它的控制系统是一个非常重要的组成部分，包括的也比较复杂，按照一定的标准可以划分为任务规划、路径规划和运动控制。在这三个基本的组成部分当中，任务规划是最为重要的部分，它对其他部分的影响和控制作用也比较明显，从实际使用功能上来看，它的基本的目标任务就是找寻相关的任务目标，对这些任务是否可以通过机械臂操作进行深入的分析，对任务的性质、类型、强度等进行全面研判，在此基础上，将任务分解到各个环节和流程当中，这样就可以把在实际操作中比较复杂的内容项目转化成为机械臂能够理解和很好操作的动作序列，这样有助于各项工作的顺利开展。机械臂在完成相关动作任务上并非严格按照一定的路径来进行操作，而是根据不同的任务目标，进而决定接下来可能需要的基本方式，在这个过程中，空间机械臂可能会应用到不同的资源，这些都要求要努力对相关的资源进行统筹安排，这样就能掌握所有资源的使用情况，也能有效的降低各种类型资源的浪费现象。为了确保研究效果，本篇文章将空间机械臂主要划分为了两个阶段：最初的就是对任务目标的接受，根据空间机械臂的实际使用情况将所接收到的任务分解为相对简单的任务内容，从逻辑层面确保相关的任务能够顺利完成。

3 从分层任务网络的角度对任务剖面进行的相关分析

（1）分层任务网络和通用规划算法。HTN规划在实际使用的过程中主要采用的是任务分解的思想方法，通过的规划方式是将复杂的非原任务逐层拆解为执行器可以直接执行的原任务。HTN则是将相对复杂的任务从状态不可控的状态，抽象出其本质的内容，形成可以指导工作开展的任务目标，这样所要完成的任务就由繁复变成了相对简单的分层结构，在分层结构上，任务分解上都是层层分解，直到最后不能再分解为止。HTN规划域则由原任务的“算子集”和复合任务的拆解“方法集”构成，给定目标任务和当前环境状态后，规划器利用规划域中的方法化简任务，这样就可以制定出基本可行的动作序列来，通过化繁为简的操作思路也有助于相对复杂任务的完成。

（2）针对空间机械臂任务剖面的基本分析。虽然可以通过HTN规划方法将复杂的任务简单化，但是，在实际操作的过程中有太多过于抽象的内容，整个工作过程需要大量的高精尖专业技术人员的配合，这在工作完成过程中随时都可能出现一系列的问题，为此，可以针对空间机械臂具体应用的场景，设计规划器各组成单元。通常的研究方法是提出一种机械臂工作环境的状态表征方法，并给出相应的环境状态比较方法和状态转移公式，同时，还需要对机械臂的原任务集合及其算子一并进行相关的定义，大量的应用实践证明，通过将规划要素实例化，可以很好的实现基于HTN的空间机械臂任务剖面分析。经过实例化的HTN规划在交通运输、危机灾害事故处置等方面可以进行很好的应用，这在很大程度上得益于负责其底层执行的人具有相应的自主能力，然而对于空间机械臂这类无自主执行能力的对象，HTN给出的原任务在很多时候不容易操作的。

4 结束语

随着今后我国航空航天事业的快速发展，空间机械臂将会有更加宽广的应用范围，为了充分发挥空间机械臂的功效作用，对于基于分层结构的空间机械臂多约束任务规划相关内容必须进行更加深入的研究，只有这样，才能更好的应用空间机械臂，更好的助力航空航天事业的发展。

参考文献：

[1]郑棋棋，汤奇荣，张凌楷，黎杰，谢宗武，刘宏.空间机械臂建模及分析方法综述[J].载人航天，2017，23（01）：82-97.

[2]叶平，何雷，宋爽，孙汉旭.空间机械臂地面微重力混合模拟方法研究[J].机器人，2013，35（03）：299-305+312.

作者简介：范学慧（1980-），女，吉林长春人，研究生，讲师，研究方向：电气自动化、人工智能。