可伸缩空间机械臂杆结构设计及其控制研究
发布时间：2021-09-30 09:30
针对太空望远镜的在轨组装而言,其组装工序多、工位变化多样,而且精度要求高。本课题研究的可伸缩空间机械臂臂杆,可以通过伸缩来改变机械臂的长度,适应望远镜直径的变化,并解决空间机械臂运载问题。首先,本文根据项目的具体设计指标,完成了可伸缩空间机械臂杆的结构设计。采用一种被动伸缩,主动锁紧的伸缩方案,并将曲柄滑块机构引入到锁紧装置中。通过Adams对锁紧方案进行动力学仿真分析,验证该方案可以有效减小锁紧运动的驱动力矩,以及机械臂工作状态下对于锁紧装置的反向力矩。并利用仿真以及计算所得数据,对相应的电气元件,谐波减速器进行选型。本文利用臂杆伸缩的能量来驱动收放线装置,并创新性的将剪叉机构进行改进,应用到导线收放线装置中,保证了导线的固定性以及自身安全性。并通过有限元分析对臂杆整体和关键零部件进行静力学校核。之后,对机械臂的伸缩运动进行轨迹规划。将伸缩运动简化为3个关节和2根伸缩臂杆的运动。对臂杆的运动学进行分析,基于关节空间进行轨迹规划。选择五次多项式插值方法,可以满足加速度的启停约束以及变化连续的要求。并通过仿真确定各个关节的角位移,角速度及角加速度符合关节的性能要求。对伸展运动的控制进行研...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SRMS机器人
蘸痛?硐喙卦睾伞Ｋ??5.2m，直径33cm，总重量大约为410.5kg。空载时的速度接近60cm/s，而有负载时速度也可以达到60mm/s。SRMS总共有6个关节，分别为肩俯仰接头、肩侧倾接头、肘俯仰接头、腕侧倾接头、腕滚转接头、末端执行器。各个关节由小力矩的电机，大传动比的减速器，位置传感器，电机制动器等组成，仅有一个转动自由度。臂杆部分为了在满足刚度的前提下减少重量，采用圆截面石墨/环氧树脂复合材料，连接部分的法兰盘使用铝合金。SRMS在太空中的工作状态如图2-1所示，SRMS的关节实物如图2-2所示。图2-1SRMS机器人图2-2SRMS关节在SRMS的成功应用后，又设计了一种空间站机械臂，称为加拿大臂2号。空间部分由以下三种组成：移动服务中心、移动远程服务系统维修站、专用灵巧机械臂(SPDM)组成。是在SRMS的基础上改进得到的7自由度机械臂系统[10]。结构以肘关节为中心完全对称，臂的肩部或腕部均可以作为操作末端，这种设计使机械臂在空间站中的操作更加自由和方便。加拿大臂2号长17.1m，直径35cm，质量1641kg，可沿主桁架遥控移动，进行空间站硬件的拆装和维修。其中有6个自由度的形式和加拿大臂1号类似，新增的一个自由度属于动力学的冗余设计，使其更像人的手臂，可以使机械臂的运动形式更加多样灵活。相比于加拿大臂1号，加拿大臂2号负载能力，运动精度都大大提升。能运重达116吨重的货
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3物，在机械臂空载状态时，它的精度是±64mm，而SRMS仅有±152mm。并且为了解决火箭携带问题，机械臂被设计为可折叠形式，但是需要宇航员的出舱操作才能展开[11]，这也增加了宇航员的危险性。折叠状态如图2-3所示，展开状态如图2-4所示。图2-3折叠状态的SSRMS图2-4展开状态的SSRMS(2)德国空间机械臂德国在空间机械臂方面也有相关的研究[12]。2005年1月，德国最新的空间机器人ROKVISS在国际空间站（ISS）的俄罗斯服务舱外成功安装。该机械臂采用高度集成的模块化关节，结构如图2-5所示。与加拿大臂关节相比，ROKVISS在结构上更加简单[13]。并且可以在地面进行远程操控，如图2-6所示。通过适当的反馈增益参数化，控制器结构可以实现位置、力矩或阻抗控制。而此次任务的目的就是对高度集成的模块化机器人关节进行验证，并演示不同的控制模式，从高系统自主性到力反馈遥操作（临场感模式）。图2-5ROKVISS关节图图2-6实验台上的ROKVISS机械臂(3)日本空间机械臂日本实验舱远距离操作机械臂系统JEMRMS（JapaneseExperimentModuleRemoteManipulatorSystem）工作于国际空间站日本舱段，是日本首个用于实际应用的空间机械臂，用于保障舱外设备，空间站内的宇航员可以操纵机械臂。JEMRMS由两部分机械臂组成[14]。主臂(MA)是一个9.91米，6自由度的机械手，连接到JEM加压模块(PM)上。更多灵巧的任务将使用NASDA的小细臂(SFA)来完成，也是一个6自由度的机械手，当主臂末端被抓住时也可以操作。JEMRMS将用于支持在JEM的EF设备上进行的实验，并支持JEM维护任务。JEMRMS
【参考文献】：
期刊论文
[1]某型无线通信系统套筒式伸展机构设计[J]. 邹杨,张亚秒,吴凤广,马驰,陈建行. 系统仿真技术. 2019(01)
[2]天宫二号机械手关键技术及在轨试验[J]. 刘宏,李志奇,刘伊威,金明河,倪风雷,刘业超,夏进军,张元飞. 中国科学:技术科学. 2018(12)
[3]航天五院电子产品助力天宫二号发射成功[J]. 中国航天. 2016(11)
[4]基于可伸缩机构的空间机械臂系统设计[J]. 王康,梁常春,林云成,王耀兵. 载人航天. 2016(05)
[5]带电作业机器人机械臂动力学建模与运动规划[J]. 江维,吴功平,王伟,张颉. 工程科学学报. 2016(06)
[6]剪叉机构计算与虚位移原理[J]. 段慧文. 演艺科技. 2012(05)
[7]空间机械臂关节容错控制系统研究[J]. 郭闯强,倪风雷,孙敬颋,刘宏. 电机与控制学报. 2011(02)
[8]空间站机械臂研究[J]. 张凯锋,周晖,温庆平,桑瑞鹏. 空间科学学报. 2010(06)
[9]一种可伸缩空间机械臂及其应用分析[J]. 弓建军. 航天控制. 2000(04)
博士论文
[1]空间机械臂传感系统及关节振动抑制研究[D]. 邹添.哈尔滨工业大学 2018
[2]轻型机械臂系统及其基于无源性理论的柔顺控制研究[D]. 张奇.哈尔滨工业大学 2014
[3]具有柔性关节的轻型机械臂控制系统研究[D]. 熊根良.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]面向人机协作的轻型柔顺机械臂结构设计与控制研究[D]. 赵洪福.北京交通大学 2017
[2]空间可伸缩机械臂杆结构设计及其地面实验验证[D]. 姜海博.哈尔滨工业大学 2016
[3]可伸缩空间机械臂及其控制方法的研究[D]. 林祺.哈尔滨工业大学 2015
[4]套筒式伸展臂的设计与分析[D]. 钟博文.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3415586
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SRMS机器人
蘸痛?硐喙卦睾伞Ｋ??5.2m，直径33cm，总重量大约为410.5kg。空载时的速度接近60cm/s，而有负载时速度也可以达到60mm/s。SRMS总共有6个关节，分别为肩俯仰接头、肩侧倾接头、肘俯仰接头、腕侧倾接头、腕滚转接头、末端执行器。各个关节由小力矩的电机，大传动比的减速器，位置传感器，电机制动器等组成，仅有一个转动自由度。臂杆部分为了在满足刚度的前提下减少重量，采用圆截面石墨/环氧树脂复合材料，连接部分的法兰盘使用铝合金。SRMS在太空中的工作状态如图2-1所示，SRMS的关节实物如图2-2所示。图2-1SRMS机器人图2-2SRMS关节在SRMS的成功应用后，又设计了一种空间站机械臂，称为加拿大臂2号。空间部分由以下三种组成：移动服务中心、移动远程服务系统维修站、专用灵巧机械臂(SPDM)组成。是在SRMS的基础上改进得到的7自由度机械臂系统[10]。结构以肘关节为中心完全对称，臂的肩部或腕部均可以作为操作末端，这种设计使机械臂在空间站中的操作更加自由和方便。加拿大臂2号长17.1m，直径35cm，质量1641kg，可沿主桁架遥控移动，进行空间站硬件的拆装和维修。其中有6个自由度的形式和加拿大臂1号类似，新增的一个自由度属于动力学的冗余设计，使其更像人的手臂，可以使机械臂的运动形式更加多样灵活。相比于加拿大臂1号，加拿大臂2号负载能力，运动精度都大大提升。能运重达116吨重的货
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3物，在机械臂空载状态时，它的精度是±64mm，而SRMS仅有±152mm。并且为了解决火箭携带问题，机械臂被设计为可折叠形式，但是需要宇航员的出舱操作才能展开[11]，这也增加了宇航员的危险性。折叠状态如图2-3所示，展开状态如图2-4所示。图2-3折叠状态的SSRMS图2-4展开状态的SSRMS(2)德国空间机械臂德国在空间机械臂方面也有相关的研究[12]。2005年1月，德国最新的空间机器人ROKVISS在国际空间站（ISS）的俄罗斯服务舱外成功安装。该机械臂采用高度集成的模块化关节，结构如图2-5所示。与加拿大臂关节相比，ROKVISS在结构上更加简单[13]。并且可以在地面进行远程操控，如图2-6所示。通过适当的反馈增益参数化，控制器结构可以实现位置、力矩或阻抗控制。而此次任务的目的就是对高度集成的模块化机器人关节进行验证，并演示不同的控制模式，从高系统自主性到力反馈遥操作（临场感模式）。图2-5ROKVISS关节图图2-6实验台上的ROKVISS机械臂(3)日本空间机械臂日本实验舱远距离操作机械臂系统JEMRMS（JapaneseExperimentModuleRemoteManipulatorSystem）工作于国际空间站日本舱段，是日本首个用于实际应用的空间机械臂，用于保障舱外设备，空间站内的宇航员可以操纵机械臂。JEMRMS由两部分机械臂组成[14]。主臂(MA)是一个9.91米，6自由度的机械手，连接到JEM加压模块(PM)上。更多灵巧的任务将使用NASDA的小细臂(SFA)来完成，也是一个6自由度的机械手，当主臂末端被抓住时也可以操作。JEMRMS将用于支持在JEM的EF设备上进行的实验，并支持JEM维护任务。JEMRMS
【参考文献】：
期刊论文
[1]某型无线通信系统套筒式伸展机构设计[J]. 邹杨,张亚秒,吴凤广,马驰,陈建行. 系统仿真技术. 2019(01)
[2]天宫二号机械手关键技术及在轨试验[J]. 刘宏,李志奇,刘伊威,金明河,倪风雷,刘业超,夏进军,张元飞. 中国科学:技术科学. 2018(12)
[3]航天五院电子产品助力天宫二号发射成功[J]. 中国航天. 2016(11)
[4]基于可伸缩机构的空间机械臂系统设计[J]. 王康,梁常春,林云成,王耀兵. 载人航天. 2016(05)
[5]带电作业机器人机械臂动力学建模与运动规划[J]. 江维,吴功平,王伟,张颉. 工程科学学报. 2016(06)
[6]剪叉机构计算与虚位移原理[J]. 段慧文. 演艺科技. 2012(05)
[7]空间机械臂关节容错控制系统研究[J]. 郭闯强,倪风雷,孙敬颋,刘宏. 电机与控制学报. 2011(02)
[8]空间站机械臂研究[J]. 张凯锋,周晖,温庆平,桑瑞鹏. 空间科学学报. 2010(06)
[9]一种可伸缩空间机械臂及其应用分析[J]. 弓建军. 航天控制. 2000(04)
博士论文
[1]空间机械臂传感系统及关节振动抑制研究[D]. 邹添.哈尔滨工业大学 2018
[2]轻型机械臂系统及其基于无源性理论的柔顺控制研究[D]. 张奇.哈尔滨工业大学 2014
[3]具有柔性关节的轻型机械臂控制系统研究[D]. 熊根良.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]面向人机协作的轻型柔顺机械臂结构设计与控制研究[D]. 赵洪福.北京交通大学 2017
[2]空间可伸缩机械臂杆结构设计及其地面实验验证[D]. 姜海博.哈尔滨工业大学 2016
[3]可伸缩空间机械臂及其控制方法的研究[D]. 林祺.哈尔滨工业大学 2015
[4]套筒式伸展臂的设计与分析[D]. 钟博文.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3415586
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3415586.html
