空间机器人末端工具更换装置的研究

论文摘要

随着人类探索太空步伐的前进,空间机器人和机器人宇航员已经成为各国竞相研究的重点。空间和舱外任务日益复杂多样,不同的空间任务往往需要不同的末端工具,因此研制末端工具更换装置可以实现空间机器人功能的多样化,也是其关键技术之一。本文研制了一种具有大捕获容差范围的末端工具更换装置。通过综合分析国外现有同类研究成果,本文提出一种由间歇运动机构演化而来的时序机构,以实现末端工具更换装置的捕获锁紧、转轴联接和电气连接等三个功能由一个驱动依次完成。对接曲面采取了轴线相互垂直的圆锥体和圆柱体,实现对工具的六自由度定位定姿。本文使用三维建模软件完成所有零部件的设计、虚拟装配、重量预测和干涉检测,同时还利用有限元分析软件和计算方法分别对复杂结构重要零部件和典型结构零件进行了强度校核。作为机电一体化产品,本文采用了分层嵌入式控制系统,设计了电机驱动板和传感器采集模块。传感器采集模块包含了电位计、限位霍尔传感器和力传感器的调理电路及A/D转换电路。根据设计要求,位姿容差范围是末端工具更换装置在对接捕获的重要指标之一。本文通过建立固定对接两端的坐标系以及它们之间的齐次变换矩阵,推导出了以锥面体为导向面成功对接的摩擦条件和几何条件。本文研究了空间机器人执行工具更换的总体捕获策略,并以此为前提运用虚拟样机软件对末端工具更换装置的捕获过程和容差范围进行仿真。仿真结果表明,所设计的末端工具更换装置达到了位姿容差设计指标,与理论分析吻合。最后,本文对单电机以起始位置和结束位置为边界条件进行三次多项式规划,并对其设计了比例-微分（PD）控制器。在实现系统功能的同时,还进行了末端工具更换装置的捕获力测试实验。实验结果表明:在本系统中使用PD控制,电机在不同载荷情况下对理想轨迹有较好的跟踪,跟踪偏差较小;末端工具更换装置捕获力达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 空间机器人末端更换装置综述
• 1.2.1 加拿大空间机器人及其末端更换装置
• 1.2.2 日本空间机器人及其末端更换装置
• 1.2.3 欧空局空间机器人及其末端更换装置
• 1.3 国外主要末端工具更换装置的比较
• 1.4 课题的意义及主要研究内容
• 1.4.1 课题的意义
• 1.4.2 课题的主要研究内容
• 第2章 末端工具更换装置的设计
• 2.1 引言
• 2.2 总体方案及工作原理
• 2.2.1 总体方案
• 2.2.2 工作原理
• 2.3 零件结构具体设计
• 2.3.1 工具端接口结构
• 2.3.2 捕获锁紧装置及受力分析
• 2.3.3 钢丝轮机构
• 2.3.4 曲柄滑块机构
• 2.3.5 动力输出轴
• 2.3.6 主要零部件校核
• 2.4 电气系统设计
• 2.4.1 总体结构
• 2.4.2 电机驱动
• 2.4.3 电源模块
• 2.4.4 通讯模块
• 2.5 传感器模块
• 2.5.1 拨盘转轴位置传感器
• 2.5.2 拨盘转轴电子限位开关
• 2.5.3 锁紧指力传感器
• 2.6 本章小结
• 第3章 末端工具更换装置容差分析及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 位姿容差分析
• 3.2.1 摩擦条件
• 3.2.2 几何条件
• 3.3 捕获策略研究
• 3.4 基于虚拟样机技术的对接仿真
• 3.4.1 虚拟样机技术简介
• 3.4.2 对接仿真研究
• 3.4.3 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 末端工具更换装置控制及地面实验
• 4.1 引言
• 4.2 实验软件平台简介
• 4.3 轨迹规划与控制
• 4.3.1 轨迹规划
• 4.3.2 电机PD 控制
• 4.4 捕获力测试实验
• 4.4.1 实验方案
• 4.4.2 实验结果及分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢