空间可伸缩机械臂杆结构设计及其地面实验验证

发布时间：2017-09-24 20:10

  本文关键词：空间可伸缩机械臂杆结构设计及其地面实验验证

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【摘要】：随着人类对太空探索的逐步深入,有越来越多的在轨任务需要空间机械臂来完成。多种复杂的在轨任务会对机械臂的工作空间、工作载荷、刚度等指标有不同的要求。然而太空中机械臂的尺寸、重量又被运载火箭的性能所限制。为了解决火箭运载能力和机械臂庞大体积的矛盾,降低运载成本,本文对一种新型的空间可伸缩式机械臂杆展开了研究。首先,根据空间可伸缩臂杆设计指标,完成了可伸缩臂杆的机械结构与机构设计。通过对比分析多种形式的伸缩机构,确定了可伸缩臂杆的基本构型。为满足可伸缩臂杆高刚度、质量轻、多工作状态等需求,采取了被动伸缩、两端锁紧、被动收放线的基本方案,并使用三维建模软件,进行了详尽的机构设计。本文对锁紧机构进行了动力学仿真,确定了锁紧所需的力矩,为驱动部件的选择提供了依据。还校验了可伸缩臂杆中受力较大的零件的刚度和强度,确保了臂杆的安全性和可靠性。然后,本文对臂杆的伸缩运动进行了轨迹规划研究,并对驱动臂杆伸缩的关节开展了控制策略的研究。为减小臂杆伸缩启停时,关节加速度突变带来的冲击,采用五段三次多项式的轨迹规划方法,能有效降低关节电机的驱动力矩。还对驱动臂杆伸缩的主动关节和随动关节开展了控制策略的研究。对主动关节,采用了动态性能好、跟踪精度高的PD控制;对随动关节,采用了柔顺性好、控制简单的阻抗控制。本文还通过联合仿真验证了控制策略的效果。最后,研制了可伸缩臂杆实验样机及地面实验平台,并开展了地面实验验证。为验证臂杆的功能和性能,进行了单个臂杆的拉伸、锁紧、导线收放实验,并在臂杆锁紧状态下,测试了臂杆在不同工作状态下的刚度。为验证臂杆的整体性能和关节的控制策略,还开展了双臂杆-双关节的联合伸缩实验。实验结果表明,本文所设计的空间可伸缩机械臂杆方案设计可行,技术指标满足设计要求。
【关键词】：可伸缩臂杆 结构设计 关节控制策略 地面实验验证
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V423
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究的背景和意义10
• 1.2 空间机械臂研究现状10-16
• 1.2.1 国外空间机械臂研究现状10-15
• 1.2.2 国内空间机械臂研究现状15-16
• 1.3 国内外文献综述的简析16-17
• 1.4 课题主要研究内容17-18
• 第2章 空间可伸缩机械臂杆结构设计18-39
• 2.1 引言18
• 2.2 空间可伸缩机械臂杆设计指标18
• 2.3 伸缩部分结构设计18-21
• 2.3.1 确定伸缩方案18-19
• 2.3.2 伸缩部分结构设计19-21
• 2.4 锁紧部分结构设计21-29
• 2.4.1 确定锁紧方案21
• 2.4.2 锁紧部分结构设计21-23
• 2.4.3 弹性元件设计计算23-24
• 2.4.4 锁紧机构仿真分析24-25
• 2.4.5 锁紧机构锁紧力及锁紧力矩计算25-26
• 2.4.6 关键零部件选型26-27
• 2.4.7 关键零部件校核27-29
• 2.5 导线收放部分结构设计29-32
• 2.5.1 确定导线收放方案29-30
• 2.5.2 收放线机构结构设计30-31
• 2.5.3 导线收放长度计算31-32
• 2.6 臂杆刚度分析32-34
• 2.7 连接部分结构设计34-35
• 2.8 空间可伸缩机械臂工作空间分析35-38
• 2.9 本章小结38-39
• 第3章 空间可伸缩机械臂杆伸缩运动控制策略的研究39-56
• 3.1 引言39
• 3.2 空间可伸缩机械臂杆伸缩运动轨迹规划39-45
• 3.2.1 机械臂杆伸展运动运动学分析40
• 3.2.2 三次样条轨迹插值方法40-42
• 3.2.3 基于三次样条轨迹插值方法进行运动轨迹规划42-45
• 3.3 空间可伸缩机械臂杆伸缩运动控制策略45-52
• 3.3.1 关节简介46-48
• 3.3.2 单关节动力学模型48-49
• 3.3.3 主动关节的位置控制49
• 3.3.4 随动关节的力控制49-52
• 3.4 空间机械臂杆伸展运动联合仿真52-55
• 3.4.1 建立仿真模型52-53
• 3.4.2 仿真结果53-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 空间可伸缩机械臂杆地面实验验证56-68
• 4.1 引言56
• 4.2 空间可伸缩机械臂杆实验系统56-57
• 4.2.1 空间可伸缩机械臂杆样机系统56
• 4.2.2 实验平台介绍56-57
• 4.3 空间可伸缩机械臂杆功能验证57-60
• 4.3.1 伸缩系统57-58
• 4.3.2 锁紧系统58-59
• 4.3.3 导线收放系统59-60
• 4.4 空间可伸缩机械臂杆刚度实验60-64
• 4.4.1 拉压刚度60-62
• 4.4.2 弯曲刚度62
• 4.4.3 扭转刚度62-63
• 4.4.4 实验结果分析63-64
• 4.5 关节-臂杆联合伸缩实验64-67
• 4.6 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-72
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果72-74
• 致谢74

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本文编号：913216