本文關(guān)鍵詞：空間可伸縮機械臂桿結(jié)構(gòu)設(shè)計及其地面實驗驗證

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【摘要】：隨著人類對太空探索的逐步深入,有越來越多的在軌任務(wù)需要空間機械臂來完成。多種復(fù)雜的在軌任務(wù)會對機械臂的工作空間、工作載荷、剛度等指標有不同的要求。然而太空中機械臂的尺寸、重量又被運載火箭的性能所限制。為了解決火箭運載能力和機械臂龐大體積的矛盾,降低運載成本,本文對一種新型的空間可伸縮式機械臂桿展開了研究。首先,根據(jù)空間可伸縮臂桿設(shè)計指標,完成了可伸縮臂桿的機械結(jié)構(gòu)與機構(gòu)設(shè)計。通過對比分析多種形式的伸縮機構(gòu),確定了可伸縮臂桿的基本構(gòu)型。為滿足可伸縮臂桿高剛度、質(zhì)量輕、多工作狀態(tài)等需求,采取了被動伸縮、兩端鎖緊、被動收放線的基本方案,并使用三維建模軟件,進行了詳盡的機構(gòu)設(shè)計。本文對鎖緊機構(gòu)進行了動力學仿真,確定了鎖緊所需的力矩,為驅(qū)動部件的選擇提供了依據(jù)。還校驗了可伸縮臂桿中受力較大的零件的剛度和強度,確保了臂桿的安全性和可靠性。然后,本文對臂桿的伸縮運動進行了軌跡規(guī)劃研究,并對驅(qū)動臂桿伸縮的關(guān)節(jié)開展了控制策略的研究。為減小臂桿伸縮啟停時,關(guān)節(jié)加速度突變帶來的沖擊,采用五段三次多項式的軌跡規(guī)劃方法,能有效降低關(guān)節(jié)電機的驅(qū)動力矩。還對驅(qū)動臂桿伸縮的主動關(guān)節(jié)和隨動關(guān)節(jié)開展了控制策略的研究。對主動關(guān)節(jié),采用了動態(tài)性能好、跟蹤精度高的PD控制;對隨動關(guān)節(jié),采用了柔順性好、控制簡單的阻抗控制。本文還通過聯(lián)合仿真驗證了控制策略的效果。最后,研制了可伸縮臂桿實驗樣機及地面實驗平臺,并開展了地面實驗驗證。為驗證臂桿的功能和性能,進行了單個臂桿的拉伸、鎖緊、導線收放實驗,并在臂桿鎖緊狀態(tài)下,測試了臂桿在不同工作狀態(tài)下的剛度。為驗證臂桿的整體性能和關(guān)節(jié)的控制策略,還開展了雙臂桿-雙關(guān)節(jié)的聯(lián)合伸縮實驗。實驗結(jié)果表明,本文所設(shè)計的空間可伸縮機械臂桿方案設(shè)計可行,技術(shù)指標滿足設(shè)計要求。
【關(guān)鍵詞】：可伸縮臂桿 結(jié)構(gòu)設(shè)計 關(guān)節(jié)控制策略 地面實驗驗證
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V423
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 課題研究的背景和意義10
• 1.2 空間機械臂研究現(xiàn)狀10-16
• 1.2.1 國外空間機械臂研究現(xiàn)狀10-15
• 1.2.2 國內(nèi)空間機械臂研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 國內(nèi)外文獻綜述的簡析16-17
• 1.4 課題主要研究內(nèi)容17-18
• 第2章 空間可伸縮機械臂桿結(jié)構(gòu)設(shè)計18-39
• 2.1 引言18
• 2.2 空間可伸縮機械臂桿設(shè)計指標18
• 2.3 伸縮部分結(jié)構(gòu)設(shè)計18-21
• 2.3.1 確定伸縮方案18-19
• 2.3.2 伸縮部分結(jié)構(gòu)設(shè)計19-21
• 2.4 鎖緊部分結(jié)構(gòu)設(shè)計21-29
• 2.4.1 確定鎖緊方案21
• 2.4.2 鎖緊部分結(jié)構(gòu)設(shè)計21-23
• 2.4.3 彈性元件設(shè)計計算23-24
• 2.4.4 鎖緊機構(gòu)仿真分析24-25
• 2.4.5 鎖緊機構(gòu)鎖緊力及鎖緊力矩計算25-26
• 2.4.6 關(guān)鍵零部件選型26-27
• 2.4.7 關(guān)鍵零部件校核27-29
• 2.5 導線收放部分結(jié)構(gòu)設(shè)計29-32
• 2.5.1 確定導線收放方案29-30
• 2.5.2 收放線機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計30-31
• 2.5.3 導線收放長度計算31-32
• 2.6 臂桿剛度分析32-34
• 2.7 連接部分結(jié)構(gòu)設(shè)計34-35
• 2.8 空間可伸縮機械臂工作空間分析35-38
• 2.9 本章小結(jié)38-39
• 第3章 空間可伸縮機械臂桿伸縮運動控制策略的研究39-56
• 3.1 引言39
• 3.2 空間可伸縮機械臂桿伸縮運動軌跡規(guī)劃39-45
• 3.2.1 機械臂桿伸展運動運動學分析40
• 3.2.2 三次樣條軌跡插值方法40-42
• 3.2.3 基于三次樣條軌跡插值方法進行運動軌跡規(guī)劃42-45
• 3.3 空間可伸縮機械臂桿伸縮運動控制策略45-52
• 3.3.1 關(guān)節(jié)簡介46-48
• 3.3.2 單關(guān)節(jié)動力學模型48-49
• 3.3.3 主動關(guān)節(jié)的位置控制49
• 3.3.4 隨動關(guān)節(jié)的力控制49-52
• 3.4 空間機械臂桿伸展運動聯(lián)合仿真52-55
• 3.4.1 建立仿真模型52-53
• 3.4.2 仿真結(jié)果53-55
• 3.5 本章小結(jié)55-56
• 第4章 空間可伸縮機械臂桿地面實驗驗證56-68
• 4.1 引言56
• 4.2 空間可伸縮機械臂桿實驗系統(tǒng)56-57
• 4.2.1 空間可伸縮機械臂桿樣機系統(tǒng)56
• 4.2.2 實驗平臺介紹56-57
• 4.3 空間可伸縮機械臂桿功能驗證57-60
• 4.3.1 伸縮系統(tǒng)57-58
• 4.3.2 鎖緊系統(tǒng)58-59
• 4.3.3 導線收放系統(tǒng)59-60
• 4.4 空間可伸縮機械臂桿剛度實驗60-64
• 4.4.1 拉壓剛度60-62
• 4.4.2 彎曲剛度62
• 4.4.3 扭轉(zhuǎn)剛度62-63
• 4.4.4 實驗結(jié)果分析63-64
• 4.5 關(guān)節(jié)-臂桿聯(lián)合伸縮實驗64-67
• 4.6 本章小結(jié)67-68
• 結(jié)論68-69
• 參考文獻69-72
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及其他成果72-74
• 致謝74

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本文編號：913216