【摘要】：隨著當(dāng)前空間探索活動(dòng)和空間非合作目標(biāo)數(shù)量的不斷增加,對(duì)當(dāng)前空間非合作目標(biāo)進(jìn)行抓捕、搬運(yùn)、維修等能夠有效地維護(hù)空間環(huán)境,并能夠有效延長(zhǎng)飛行器和衛(wèi)星的使用壽命。在此類(lèi)空間維護(hù)任務(wù)中,抓捕是其中重要的研究?jī)?nèi)容,目前國(guó)內(nèi)外空間抓捕裝置主要分為大型機(jī)械臂、小型靈巧手以及兩者配合使用的裝置,考慮抓捕目標(biāo)的空間坐標(biāo)、相關(guān)力學(xué)指標(biāo)慣性作用,且不能自主調(diào)整狀態(tài)的特點(diǎn),提出一種基于四面體桁架結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)空間抓捕需求的抓捕機(jī)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種形狀和尺寸的目標(biāo)物體的抓捕。首先,本文完成了對(duì)所設(shè)計(jì)的抓捕裝置進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和基本尺寸的確定,完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析以及仿真驗(yàn)證,提出三種抓捕策略,并研制了功能樣機(jī)對(duì)抓捕策略與抓捕裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了單個(gè)基本單元的運(yùn)動(dòng)屬性和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),建立了直線推桿長(zhǎng)度變化量與關(guān)節(jié)角度變化量之間的關(guān)系;分析基本單元的自鎖屬性,在抓捕運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)保證運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性并避免自鎖現(xiàn)象的發(fā)生;通過(guò)建立基本單元的優(yōu)化模型,得到其尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù);通過(guò)建立抓取目標(biāo)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系得到整個(gè)空間裝置的幾何參數(shù),完成整個(gè)裝置的三維設(shè)計(jì)。建立了空間抓捕裝置單臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,建立其位置、速度及加速度方程,通過(guò)建立D-H坐標(biāo)系,利用齊次變換建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,并最終確定了直線推桿變化量和裝置位姿之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將尺寸優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,求得其參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度與角速度關(guān)系圖像,并通過(guò)仿真對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上,采用Lagrange方程法建立了針對(duì)空間抓捕裝置單臂的動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)分析抓捕裝置抓捕過(guò)程中的速度、加速度、力矩之間的關(guān)系,分析了抓捕過(guò)程中力矩的變化關(guān)系。并基于抓捕裝置特點(diǎn),提出了三種針對(duì)不同類(lèi)型抓取目標(biāo)的抓取策略,并通過(guò)仿真模擬抓捕過(guò)程,得到直線推桿變化量與抓捕過(guò)程機(jī)械臂位姿的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為樣機(jī)控制與試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。研制抓捕裝置樣機(jī),通過(guò)完成多組不同形狀、大小物體的抓捕試驗(yàn),采取三種抓捕策略分別抓捕不同直徑目標(biāo)物體,記錄過(guò)程中直線推桿的變化情況及目標(biāo)位姿與實(shí)際軌跡的情況,驗(yàn)證理論分析的正確性。結(jié)果證明,該樣機(jī)可以對(duì)理論最大抓捕半徑物體進(jìn)行抓捕,基于該裝置提出的三種抓捕策略能夠完成對(duì)抓捕目標(biāo)的抓取。
【圖文】：

圖 1-1 第一代和第二代加拿大臂[3-4]圖 1-2 Canadarm-2 末端的靈巧機(jī)械臂及可移動(dòng)機(jī)座[4]在 Canadarm-1 的基礎(chǔ)上，Canadarm-2 發(fā)射成功，并在 Canadarm-1 的協(xié)在國(guó)際空間站上。其性能更優(yōu)，可依靠航天員通過(guò)控制平臺(tái)操作桿進(jìn)行自主操控。同時(shí)其自由度為 7，重量達(dá) 1.8 噸，操控負(fù)重達(dá) 260 噸，能夠行空間作業(yè)。且機(jī)械臂的兩端都安裝有執(zhí)行器手爪機(jī)構(gòu)，可附著于任意為故定點(diǎn)進(jìn)行靈活機(jī)動(dòng)作業(yè)。其所攜帶的機(jī)械臂如圖 1-2 所示，具有 1，能夠進(jìn)行較為精密的操作作業(yè)。此為，后期升空的可移動(dòng)基座，配合

圖 1-2 Canadarm-2 末端的靈巧機(jī)械臂及可移動(dòng)機(jī)座[4]在 Canadarm-1 的基礎(chǔ)上，Canadarm-2 發(fā)射成功，并在 Canadarm-1 的協(xié)裝在國(guó)際空間站上。其性能更優(yōu)，可依靠航天員通過(guò)控制平臺(tái)操作桿進(jìn)行操可自主操控。同時(shí)其自由度為 7，重量達(dá) 1.8 噸，操控負(fù)重達(dá) 260 噸，能夠進(jìn)行空間作業(yè)。且機(jī)械臂的兩端都安裝有執(zhí)行器手爪機(jī)構(gòu)，可附著于任意空構(gòu)為故定點(diǎn)進(jìn)行靈活機(jī)動(dòng)作業(yè)。其所攜帶的機(jī)械臂如圖 1-2 所示，具有 15 度，能夠進(jìn)行較為精密的操作作業(yè)。此為，，后期升空的可移動(dòng)基座，配合前端安裝的執(zhí)行器手爪機(jī)構(gòu)，任意一端都可故定于基座，基于故定于空間站構(gòu)，基于桁架機(jī)構(gòu)之間位置可調(diào)節(jié)移動(dòng)，可更靈活、精準(zhǔn)地完成空間大型抓捕任務(wù)。美國(guó)研制的空間機(jī)器人項(xiàng)目主要有 FTS（飛行服務(wù)機(jī)器人）以及 Orbital Exp軌道快車(chē)）[5]等。其中最早開(kāi)展的飛行機(jī)器人空間抓捕任務(wù)，基于在空間站�？臻g抓捕、裝配維修等任務(wù)的抓捕任務(wù)裝置，由兩個(gè)機(jī)械臂和一個(gè)定位裝
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V423

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本文編號(hào)：2696716