连续型多臂空间机器人结构设计与控制研究
发布时间：2021-11-02 11:18
随着航空航天技术的迅猛发展,人类对太空的探索力度在不断加大。然而,在探索太空的过程中难免会产生太空垃圾,对其他航天器的运行造成潜在威胁。各个航天强国也都积极探索太空垃圾的回收技术,其中最主要的方案是采用空间机器人对太空垃圾进行捕获。传统的空间机器人多为离散型机器人,其体积庞大且不容易实现对目标的自适应捕获。因此,本文研制了连续型多臂空间机器人系统,具有结构轻巧、运动灵活的特点,并且对非合作目标的包络抓捕具有较强的自适应性,在对空间目标捕获领域具有很好的发展前景。针对空间目标捕获的应用场景,提出了一种连续型多臂空间机器人系统的设计方案。该机器人系统由机械结构、控制系统组成。为避免机器人的电子元器件受到空间射线的辐射以及极端温度的影响而失效,机器人的机械结构设计采用模块化的设计思想,系统由驱动控制箱和连续型操作臂组成,其中驱动控制箱主要由驱动电机、滚珠丝杠、导轨滑块与滑轮组等零部件,对驱动控制箱进行防辐射以及温度控制等处理,保证电子元件工作的可靠性,通过驱动部件与传动部件实现对驱动绳索长度改变的控制,从而实现操作臂的特定弯曲;连续型操作臂由超弹性中心骨架、关节与驱动绳索组成,在空间内具有6...
【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】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Smart-1卫星与OLE
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-结构，党细杆进入到对接位置后，其末端膨胀从而将对接部分锁紧，实现两个航天器之间的对接。这种捕获方式结构简单，捕获策略相对容易，但这种对接方式只能对类锥杆式结构的合作目标进行抓捕，适应性差。a)对接过程原理示意图b)对接过程实物示意图图1-1Smart-1卫星与OLEV航天器对接过程示意图美国Starsys公司和波音公司联合研制的轨道快速捕获系统如图1-2所示[6,7]。该轨道捕获系统用于空间捕获实验，分为主动与被动2个对接机构，其中主动对接机构安装一个3指机械手，其3个手指均为相同的曲柄滑块机构，3个手指的滑块安装于中间的丝杠上。在对被动对接机构进行捕获任务时，主动对接机构的丝杠旋转实现滑块的直线运动，从而实现曲柄滑块机构中各连杆的旋转，最终抓捕被动对接机构完成捕获任务。实验结果表明，该捕获系统主动对接机构和被动对接机构之间3个方向的角度偏差为±5°，轴向和径向的位置偏差分别为±65mm和±70mm，具有较强的容差特性。图1-2美国Starsys公司和波音公司研制的轨道快速捕获系统德国航天局的DEOS在轨维修项目示意图如图1-3所示[8-10]。该项目发射2颗卫星进入太空，在空间环境中进行非合作目标捕获实验，其中一颗卫星作为被抓捕的目标卫星，其相对抓捕卫星有移动和翻滚等运动。抓捕卫星上安装有操作臂，在抓捕过程中利用操作臂末端安装的机械手爪实现对目标卫星的抓捕，使其相对抓捕卫星静止，进而完成对非合作目标的捕获任务。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-曲柄连杆齿轮电机a)捕获过程示意图b)末端手爪结构图1-3德国航天局的DEOS在轨维修项目日本国家航天局研制的ETS-VII卫星用于在空间环境进行交会对接和卫星维修等实验，其对接过程如图1-4所示[11,12]。ETS-VII卫星上安装有一条长度为2m的6自由度操作臂，该操作臂末端安装一个3指机械手，利用机械手实现对一同发射进入太空而运动状态不同的目标卫星进行抓捕。实验结果表明该操作臂的末端位置精度达到10mm，末端姿态精度为1o，操作臂末端运动线速度最大为50mm/s，姿态变化最大角速度为5o/s，能承受的最大负载力矩高达700N·m。图1-4日本国家航天局研制的ETS-VII卫星美国DCS公司、海军实验室和Honeywell公司共同参与的FREND项目的主要任务是完成对地球同步卫星的在轨维修任务。在进行维修任务之前首先对地球同步卫星进行捕获，该项目利用安装在捕获卫星上的3个操作臂对地球同步卫星的捕获任务，其捕获过程如图1-5所示[13-15]。在对目标卫星进行捕获时，携带有空间操作臂的航天器预先飞行至距离目标卫星约20km处进行探测，随后逐渐接近目标卫星，飞行至距离40m的范围内再绕目标卫星飞行，在此过程对目标卫星建立3D地形图从而识别目标卫星捕获点，进而再飞行至距离1.5m的捕获范围内通过3条操作臂协同操作完成对目标卫星的捕获，从而实现交会对接任务。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于空间机械臂的柔顺抓捕技术研究综述[J]. 汤奇荣,黎杰,张凌楷,赵庆岩,李宁,邹怀武. 上海航天. 2019(03)
[2]Configuration Design of an Under-Actuated Robotic Hand Based on Maximum Grasping Space[J]. Shang-Ling Qiao,Rong-Qiang Liu,Hong-Wei Guo,Yu-Xuan Liu,Zong-Quan Deng. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(02)
[3]空间机器人发展现状与思考[J]. 林益明,李大明,王耀兵,王友渔. 航天器工程. 2015(05)
[4]绳驱动连续型机械臂设计[J]. 翟士民,刘荣,薛彤. 机械工程与自动化. 2015(02)
[5]空间站机械臂关键技术研究[J]. 李大明,饶炜,胡成威,王耀兵,唐自新,王友渔. 载人航天. 2014(03)
[6]一种新型机器人微创手术微器械的机构设计及运动学分析[J]. 马如奇,王伟东,董为,杜志江. 机器人. 2013(04)
[7]基于ADAMS的连续型机器人建模与运动仿真[J]. 刘阳辉,张平. 机床与液压. 2013(11)
[8]绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析[J]. 陈伟海,游贤强,崔翔,于守谦. 北京航空航天大学学报. 2013(03)
[9]连续型结肠镜机器人多电机控制系统设计[J]. 胡海燕,孙立宁,李满天,肖滔. 微电机. 2011(08)
[10]基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J]. 李保丰,孙汉旭,贾庆轩,陈钢. 航天器工程. 2011(04)
博士论文
[1]空间机器人目标跟踪抓捕及地面实验研究[D]. 杨海涛.哈尔滨工业大学 2018
硕士论文
[1]空间目标柔顺抓捕的姿态控制[D]. 王一鸣.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3471883
【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】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Smart-1卫星与OLE
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-结构，党细杆进入到对接位置后，其末端膨胀从而将对接部分锁紧，实现两个航天器之间的对接。这种捕获方式结构简单，捕获策略相对容易，但这种对接方式只能对类锥杆式结构的合作目标进行抓捕，适应性差。a)对接过程原理示意图b)对接过程实物示意图图1-1Smart-1卫星与OLEV航天器对接过程示意图美国Starsys公司和波音公司联合研制的轨道快速捕获系统如图1-2所示[6,7]。该轨道捕获系统用于空间捕获实验，分为主动与被动2个对接机构，其中主动对接机构安装一个3指机械手，其3个手指均为相同的曲柄滑块机构，3个手指的滑块安装于中间的丝杠上。在对被动对接机构进行捕获任务时，主动对接机构的丝杠旋转实现滑块的直线运动，从而实现曲柄滑块机构中各连杆的旋转，最终抓捕被动对接机构完成捕获任务。实验结果表明，该捕获系统主动对接机构和被动对接机构之间3个方向的角度偏差为±5°，轴向和径向的位置偏差分别为±65mm和±70mm，具有较强的容差特性。图1-2美国Starsys公司和波音公司研制的轨道快速捕获系统德国航天局的DEOS在轨维修项目示意图如图1-3所示[8-10]。该项目发射2颗卫星进入太空，在空间环境中进行非合作目标捕获实验，其中一颗卫星作为被抓捕的目标卫星，其相对抓捕卫星有移动和翻滚等运动。抓捕卫星上安装有操作臂，在抓捕过程中利用操作臂末端安装的机械手爪实现对目标卫星的抓捕，使其相对抓捕卫星静止，进而完成对非合作目标的捕获任务。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-曲柄连杆齿轮电机a)捕获过程示意图b)末端手爪结构图1-3德国航天局的DEOS在轨维修项目日本国家航天局研制的ETS-VII卫星用于在空间环境进行交会对接和卫星维修等实验，其对接过程如图1-4所示[11,12]。ETS-VII卫星上安装有一条长度为2m的6自由度操作臂，该操作臂末端安装一个3指机械手，利用机械手实现对一同发射进入太空而运动状态不同的目标卫星进行抓捕。实验结果表明该操作臂的末端位置精度达到10mm，末端姿态精度为1o，操作臂末端运动线速度最大为50mm/s，姿态变化最大角速度为5o/s，能承受的最大负载力矩高达700N·m。图1-4日本国家航天局研制的ETS-VII卫星美国DCS公司、海军实验室和Honeywell公司共同参与的FREND项目的主要任务是完成对地球同步卫星的在轨维修任务。在进行维修任务之前首先对地球同步卫星进行捕获，该项目利用安装在捕获卫星上的3个操作臂对地球同步卫星的捕获任务，其捕获过程如图1-5所示[13-15]。在对目标卫星进行捕获时，携带有空间操作臂的航天器预先飞行至距离目标卫星约20km处进行探测，随后逐渐接近目标卫星，飞行至距离40m的范围内再绕目标卫星飞行，在此过程对目标卫星建立3D地形图从而识别目标卫星捕获点，进而再飞行至距离1.5m的捕获范围内通过3条操作臂协同操作完成对目标卫星的捕获，从而实现交会对接任务。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于空间机械臂的柔顺抓捕技术研究综述[J]. 汤奇荣,黎杰,张凌楷,赵庆岩,李宁,邹怀武. 上海航天. 2019(03)
[2]Configuration Design of an Under-Actuated Robotic Hand Based on Maximum Grasping Space[J]. Shang-Ling Qiao,Rong-Qiang Liu,Hong-Wei Guo,Yu-Xuan Liu,Zong-Quan Deng. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(02)
[3]空间机器人发展现状与思考[J]. 林益明,李大明,王耀兵,王友渔. 航天器工程. 2015(05)
[4]绳驱动连续型机械臂设计[J]. 翟士民,刘荣,薛彤. 机械工程与自动化. 2015(02)
[5]空间站机械臂关键技术研究[J]. 李大明,饶炜,胡成威,王耀兵,唐自新,王友渔. 载人航天. 2014(03)
[6]一种新型机器人微创手术微器械的机构设计及运动学分析[J]. 马如奇,王伟东,董为,杜志江. 机器人. 2013(04)
[7]基于ADAMS的连续型机器人建模与运动仿真[J]. 刘阳辉,张平. 机床与液压. 2013(11)
[8]绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析[J]. 陈伟海,游贤强,崔翔,于守谦. 北京航空航天大学学报. 2013(03)
[9]连续型结肠镜机器人多电机控制系统设计[J]. 胡海燕,孙立宁,李满天,肖滔. 微电机. 2011(08)
[10]基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J]. 李保丰,孙汉旭,贾庆轩,陈钢. 航天器工程. 2011(04)
博士论文
[1]空间机器人目标跟踪抓捕及地面实验研究[D]. 杨海涛.哈尔滨工业大学 2018
硕士论文
[1]空间目标柔顺抓捕的姿态控制[D]. 王一鸣.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3471883
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