行星采样机械臂的结构设计与轨迹规划

发布时间：2017-03-29 15:23

  本文关键词：行星采样机械臂的结构设计与轨迹规划，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：对外太空的探索是当前研究的一大热点,其中行星采样研究是非常重要的一环。本文主要研究一种轻量化低功耗行星采样机械臂的结构设计和轨迹规划,是中国处在火星探测计划和探月工程大背景下的一次探索性研究。首先根据任务需求,确定一个整体方案,设计的采样机械臂具有4个自由度,均为旋转关节,关节之间通过空心连杆连接,接着确定各关节的机械结构。设计的采样机械臂可以展成三角形结构充当桅杆来支撑导航摄像头,同时设计一种锁定装置确保这种三角形结构的稳定性,该设计方案大幅度降低了总体质量和能耗。同时还进行运动仿真检查采样机械臂运动过程中干涉和碰撞情况,借助有限元软件分析采样机械臂的强度和刚度,分析的结果表明设计符合要求。接着根据设计的采样机械臂的机械结构建立起运动学模型,通过D-H参数法推导出正运动学模型,以此为基础求解采样机械臂的工作空间,通过代数求解法推导出逆运动学模型,借助Robotics ToolBox工具箱进行运动学仿真,验证其正确性。其次以推导出的运动学模型为基础,分析采样机械臂的轨迹规划算法。在关节空间中分析并仿真三次多项式插值和五次多项式插值轨迹规划算法。从仿真的结果看,三次多项式插值计算量较小,但是不能保证关节角加速度的连续性;五次多项式插值能够保证关节角加速度的连续性,但是计算量比较大。在笛卡尔空间中分析空间直线插补和空间圆弧插补轨迹规划算法,并进行这两种插补算法的仿真实验。然后在Windows平台上,借助Visual C++6.0开发采样机械臂三维运动仿真软件。首先通过MFC搭建软件的整体框架,然后通过OpenGL绘制采样机械臂的三维简化模型,最后将运动学的正逆解和四种轨迹规划算法融入其中。该仿真软件有效的验证了运动学模型和轨迹规划算法的正确性,同时还能够直观显示轨迹规划的仿真动画,为物理样机调试提供了很大的参考。最后对采样机械臂物理样机进行调试实验,首先搭建采样机械臂的硬件平台,包括控制器、驱动器和电机的连线,然后实现运动仿真软件和控制器之间的通信,将仿真求解的数据发送给控制器从而控制电机的运动,最后进行采样机械臂末端的直线插补和圆弧插补实验。实验结果进一步的验证了运动学模型和轨迹规划算法的正确性。
【关键词】：采样机械臂 运动学 轨迹规划 运动仿真
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 行星采样机械臂的研究现状13-16
• 1.2.2 机械臂轨迹规划的研究现状16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第2章 采样机械臂的结构设计18-29
• 2.1 概述18
• 2.2 采样机械臂的总体方案设计18-20
• 2.3 采样机械臂的关节结构设计20-26
• 2.3.1 驱动方式20
• 2.3.2 关节电机和减速器20-22
• 2.3.3 腰、肩和肘关节结构22-23
• 2.3.4 腕关节和锁定装置23-26
• 2.4 锁定装置运动仿真26-27
• 2.5 强度和刚度分析27-28
• 2.5.1 挖勺强度和刚度分析27-28
• 2.5.2 机械臂整体刚度分析28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 采样机械臂的运动学模型建立29-40
• 3.1 概述29
• 3.2 正运动学分析29-33
• 3.2.1 正运动学模型的建立29-32
• 3.2.2 正运动学模型的仿真32-33
• 3.3 采样机械臂的工作空间33-36
• 3.4 逆运动学分析36-39
• 3.4.1 逆运动学模型的建立36-38
• 3.4.2 逆运动学模型的仿真38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 采样机械臂的轨迹规划40-52
• 4.1 概述40-41
• 4.2 关节空间的轨迹规划41-46
• 4.2.1 三次多项式插值41-42
• 4.2.2 具有中间点路径的三次多项式42-44
• 4.2.3 五次多项式插值44-46
• 4.2.4 三次多项式和五次多项式的比较46
• 4.3 笛卡尔空间的轨迹规划46-51
• 4.3.1 空间直线插补算法47-48
• 4.3.2 空间圆弧插补算法48-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 基于OpenGL机械臂运动仿真分析52-64
• 5.1 概述52-53
• 5.1.1 OpenGL概述52-53
• 5.1.2 Windows对OpenGL的支持53
• 5.2 机械臂仿真软件实现的步骤53-58
• 5.2.1 仿真软件框架的设计53-54
• 5.2.2 仿真实体的绘制54
• 5.2.3 运动学算法在仿真工具上的实现54-56
• 5.2.4 轨迹规划算法在仿真工具上的实现56-58
• 5.3 仿真软件的功能58-63
• 5.3.1 运动学正解和逆解模块59-60
• 5.3.2 轨迹规划仿真模块60-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第6章 采样机械臂轨迹规划实验64-73
• 6.1 概述64
• 6.2 硬件架构64-68
• 6.2.1 控制器64-66
• 6.2.2 驱动器66-67
• 6.2.3 硬件系统的搭建67-68
• 6.3 软件系统68-69
• 6.4 轨迹规划实验69-72
• 6.4.1 空间直线插补实验70-71
• 6.4.2 空间圆弧插补实验71-72
• 6.5 本章小结72-73
• 结论与展望73-75
• 结论73-74
• 展望74-75
• 参考文献75-78
• 附录78-82
• 致谢82

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