模块化关节结构设计及其位置控制的研究

论文摘要

随着空间科学技术的发展,卫星的结构变得越来越复杂,卫星上的可展开附件的展开故障率越来越高。本文在国防科工委民用航天预研项目“卫星在轨自维护及遥操作关键技术的研究”的资助下,研制了用于卫星在轨自维护系统的机械臂上的一个模块化关节。本文根据机械臂的技术要求,结合空间环境对模块化关节的要求,采用机电一体化的设计思想设计了高集成度和高可靠性的模块化关节,该关节具有力矩感知、电机位置感知、关节位置感知和温度感知等功能。本文利用有限元分析软件Patran和Nastran对关节中的关键零部件进行了强度分析,结果表明关节中的关键零部件满足强度要求。关节力矩传感器是机械臂柔性关节的重要传感元件。关节力矩传感器不仅为机械臂的柔顺控制提供力感信息,而且可以用于关节的位置控制。本文提出了三种力矩传感器的弹性体结构形式,并利用Patran和Nastran对其进行了分析,结合分析结果和模块化关节中零件间的连接关系对力矩传感器结构的要求,从中选择了一种形式的力矩传感器。最后对设计完成的关节力矩传感器进行了静态标定。谐波减速器由于其体积小、质量轻、减速比大而在广泛应用在机器人中。但它的采用增加了关节的柔性,降低了关节的位置控制精度。本文针对关节的柔性,根据Spong的假设建立了柔性关节的简化模型,设计了全状态反馈控制器对柔性关节的位置进行调节。本文的最后,对于模块化关节的各项技术指标进行了实验验证,实验结果表明,本文设计的模块化关节满足其各项设计指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 空间机械臂及关节研究现状
• 1.2.1 国外空间机械臂及关节的研究现状
• 1.2.2 国内空间机械臂及关节的研究现状
• 1.2.3 国内外关节力矩传感器的研究现状
• 1.2.4 国内外柔性关节控制策略的研究
• 1.3 选题的意义和研究内容
• 1.3.1 课题的意义
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 模块化关节的机械结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 模块化关节的设计指标
• 2.3 空间环境对模块化关节设计的约束
• 2.3.1 空间热控对系统设计的约束及解决方法
• 2.3.2 电磁兼容性对系统结构布局的约束及解决方法
• 2.3.3 空间润滑对系统设计的约束及解决方法
• 2.3.4 空间环境对模块化关节材料的约束
• 2.3.5 系统可靠性对模块化关节结构设计的约束
• 2.4 空间机械臂模块化关节设计的总体思想
• 2.5 空间机械臂模块化关节的设计实现
• 2.5.1 空间机械臂模块化关节的走线方式设计
• 2.5.2 驱动电机的选择
• 2.5.3 谐波减速器的选择
• 2.5.4 失电制动器的选择
• 2.5.5 关节内轴承的选择
• 2.5.6 关键零部件的强度校核
• 2.6 关节力矩传感器的设计
• 2.6.1 关节力矩传感器安装位置的选择
• 2.6.2 关节力矩传感器弹性体形状的选择
• 2.6.3 关节力矩传感器弹性体的有限元分析
• 2.6.4 关节力矩传感器的标定
• 2.7 本章小结
• 第3章 模块化关节的电气系统
• 3.1 引言
• 3.2 空间机械臂模块化关节的电气系统组成
• 3.3 空间机械臂模块化关节的电气系统总体设计
• 3.3.1 空间电境对模块化关节电气系统的约束
• 3.3.2 关节电源模块
• 3.3.3 电机驱动模块
• 3.3.4 关节控制模块
• 3.3.5 关节通讯模块
• 3.3.6 空间机械臂模块化关节的传感器系统
• 3.4 模块化关节系统的结构布局
• 3.5 本章小结
• 第4章 柔性关节位置控制的研究
• 4.1 引言
• 4.2 柔性关节简化模型的建立
• 4.2.1 谐波减速器的工作原理
• 4.2.2 柔性关节简化模型的建立
• 4.3 柔性关节控制器的设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 模块化关节的性能实验
• 5.1 引言
• 5.2 模块化关节的性能试验平台
• 5.3 模块化关节的性能试验
• 5.3.1 模块化关节的质量测定
• 5.3.2 模块化关节的额定力矩和额定转速测定
• 5.3.3 关节空间内轨迹规划
• 5.3.4 模块化关节的位置控制精度实验
• 5.4 空间机械臂的控制结构
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间申请的国家发明专利
• 致谢