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行星采样机械臂的设计与分析

作　者: 刘杰
导　师: 张冰蔚
学　校: 江苏科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 采样机械臂运动学轻量化
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 6次
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内容摘要

机器人技术在航空航天中具有重要地位，尤其是行星探测机器人，对机器人技术的发展提出了迫切需求。行星采样机械臂是行星探测器实施采样任务的执行机构，本文论述了行星采样机械臂的应用现状与发展前景，在充分分析与研究已有的微型探测机器人技术的基础上，提出了轻量化结构方案。根据探测作业任务与系统性能指标，需要机械臂具备展开/折叠，并能精确定位到一个目标位置，以及挖掘、采样、搬运、自修复等作业功能。针对行星环境，要求机械臂轻质、节能、灵巧、紧凑、可靠及最大化工作空间，发挥移动平台和机械臂协同作业最大能力。本文采用了类人手臂的结构及腰、肩、肘、腕，四个关节且均为旋转关节，计四个自由度的实验装置。对机械臂关节组件作了详细设计，例如肩关节及采样腕关节结构。针对机器人系统的关键技术，如正向运动学求解、逆向运动学的求解、分析工作空间、运动轨迹的规划等方面做了详细的分析与研究。本文的研究内容主要包括以下几个方面：1.针对国内外采样机械臂的研究现状，提出了研究目标与主要研究内容。2.通过现有采样机械臂的结构的分析与研究，根据作业任务提出了一种新型轻量化的机械臂结构，充分考虑了结构的合理性和零部件的工艺，并对相应特殊零件进行详细分析。3.使用虚拟样机技术对采样机械臂进行动力学分析，作为动力系统选型的依据。在ANSYS软件中建立机器人的各关节模型，做位移、应力、模态分析，以及刚柔耦合分析；验证机器人本体设计方案的合理性。根据系统平稳可靠紧凑的工作要求，确定机器人各关节的传动方式。4.基于机器人学理论推导运动学方程的正逆解，雅克比矩阵。分析工作空间大小、灵活性及连杆参数的影响，使用蒙特卡罗数值法分析工作空间，为进一步轨迹规划奠定了基础。并通过MATLAB软件作为仿真分析工具。5.本文基于EMAC-200控制器构件了系统硬件实验平台，设计了电气线路。以PC为核心的控制平台，通过控制器的动态链接库实现。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-21
  1.1 研究背景与意义  13
  1.2 历史、现状及发展趋势  13-20
    1.2.1 现状  14-19
    1.2.2 发展趋势  19-20
  1.3 本文主要工作内容  20-21
第2章采样机械臂的机构设计  21-35
  2.1 概述  21
  2.2 机械臂总体方案设计  21-25
    2.2.1 功能及设计指标要求  21-22
    2.2.2 采样机械臂的方案设计  22-25
  2.3 采样机械臂的组件设计  25-33
    2.3.1 关节组件选择设计  25-30
      2.3.1.1 电机的选择  25-27
      2.3.1.2 减速箱的选择  27-30
    2.3.2 关节的设计  30-31
    2.3.3 腕关节的设计  31-33
  2.4 采样机械臂的三维模型建立  33-34
    2.4.1 建模软件  33-34
    2.4.2 建立的三维模型  34
  2.5 本章小结  34-35
第3章结构的仿真分析  35-47
  3.1 模态分析理论  35-36
  3.2 刚性分析  36-40
    3.2.1 模型的建立  36
    3.2.2 定义材料属性及网格划分  36-37
    3.2.3 施加边界条件  37
    3.2.4 仿真求解  37-40
  3.3 关键受力零件的分析  40-43
    3.3.1 连杆法兰的分析  40-41
    3.3.2 挖勺的分析  41-43
  3.4 模态分析  43-46
    3.4.1 大臂的分析  44-45
    3.4.2 小臂的分析  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章动力学分析  47-56
  4.1 虚拟样机技术  47-49
  4.2 采样机械臂的动力学分析  49-53
    4.2.1 整机运动仿真分析  53
  4.3 动力学仿真  53-54
  4.4 机构系统柔性仿真分析  54-55
    4.4.1 划分有限元网格  54-55
    4.4.2 生成 MNF 文件  55
  4.5 本章小结  55-56
第5章路径规划  56-72
  5.1 运动学分析  56-65
    5.1.1 位姿分析基础  56-57
      5.1.1.1 齐次坐标及对象的描述  56-57
      5.1.1.2 齐次变换及运算  57
    5.1.2 机械臂运动学分析  57-63
      5.1.2.1 运动学正问题  59-62
      5.1.2.2 运动学逆问题  62-63
    5.1.3 运动学仿真  63-65
  5.2 工作空间分析  65-66
  5.3 轨迹规划  66-70
    5.3.1 直线插补算法  67
    5.3.2 空间圆弧轨迹规划  67-68
    5.3.3 关节空间中的轨迹规划  68-69
    5.3.4 轨迹仿真  69-70
  5.4 本章小结  70-72
第6章控制系统研究  72-79
  6.1 控制系统概述  72
  6.2 控制系统  72-78
    6.2.1 系统硬件  72-75
    6.2.2 系统的软件  75-78
  6.3 本章小结  78-79
结论与展望  79-81
参考文献  81-84
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  84-85
致谢  85

行星采样机械臂的设计与分析

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