【摘要】：隨著科技的進步,人們探索未知宇宙的好奇心愈發(fā)強烈。在空間活動中,空間機械臂是完成空間站組裝、維護維修、輔助運營管理、載荷照料和航天員在軌作業(yè)支持等操作的重要工具。本文針對我國未來空間站上的空間機械臂,進行了總體設(shè)計與運動學(xué)建模、軌跡跟蹤控制、技術(shù)指標(biāo)測試及柔性力控制的相關(guān)工作,為我國在研的空間站機械臂提供技術(shù)支持。主要研究內(nèi)容如下:首先針對總體任務(wù)分析,進行了空間機械臂的總體設(shè)計。采用模塊化對稱設(shè)計與7自由度的配置方案。其中,兩個腕部各有3個自由度、肘關(guān)節(jié)有1個自由度,小臂兩端各安裝1個末端作用器,兩末端作用器交替抓捕固定在艙表的目標(biāo)適配器,實現(xiàn)爬行功能。然后針對空間機械臂設(shè)計構(gòu)型,采用Craig方法建立正運動學(xué)模型。對于逆運動學(xué)的求解,考慮到準(zhǔn)確、快速且在軌程序的穩(wěn)定性,采用固定1個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)而求解6自由度機械臂逆運動學(xué)的方法,求得逆運動學(xué)的解析解。然后研究了空間機械臂的軌跡跟蹤控制。高精度的軌跡跟蹤控制是空間機械臂順利完成太空任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)�？紤]到空間機械臂具有模型不確定性及外界擾動,設(shè)計了自適應(yīng)徑向基的反步滑�？刂破�,數(shù)值仿真實驗證明了算法的有效性。由于該算法在工程應(yīng)用上設(shè)計較為復(fù)雜,進而提出了線性自抗擾軌跡跟蹤控制算法。線性擴張狀態(tài)觀測器能夠?qū)V義擾動實現(xiàn)有效估計。最后,線性自抗擾的空間機械臂數(shù)值仿真實驗及工程樣機實驗均驗證了算法的可行性,具有一定的工程應(yīng)用價值。進一步針對裝配完成的空間機械臂工程樣機,提出了標(biāo)定測試、位姿精度測試、速度和加速度測試的測試方法。對于不規(guī)則的機械臂末端手爪,提出了基于獨特幾何外形的手爪坐標(biāo)系建立方法;對于內(nèi)置的關(guān)節(jié)軸線,則采用圓周擬合法對每個關(guān)節(jié)軸線進行建立;對于速度與加速度指標(biāo)的測試,采用對位姿微分與二次微分的方式完成機械臂末端線速度、角速度、線加速度與角加速度的測試。最后針對實際工作中遇到的光路遮擋問題給出了API移站與三軸一體相結(jié)合的解決方法。對空間機械臂的指標(biāo)測試驗證了整體設(shè)計指標(biāo)的滿足度,為檢測前期加工及單機、整機裝配成果,以及后續(xù)大型試驗的進行,均提供了強有力的保障。最后,針對空間機械臂在軌的典型任務(wù)——大口徑望遠鏡組裝,搭建了空間機械臂柔性力控制地面演示系統(tǒng)。設(shè)計了六維力/力矩傳感器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并提出了基于最小二乘法求解實現(xiàn)了對機械臂的重力補償。進而設(shè)計了機械臂柔性力控制算法,結(jié)合負載外力產(chǎn)生的末端移動與負載外力矩產(chǎn)生的末端轉(zhuǎn)動兩種情況,設(shè)計V-F和?-M_(ema x)曲線控制機器臂的移動和轉(zhuǎn)動。最后進行了機械臂柔性力控制的地面演示試驗,實現(xiàn)了機械臂柔性力控功能,在整個子鏡模塊的抓取、搬運、組裝過程中,運行平穩(wěn)無抖動,達到了良好效果。為后續(xù)面向在軌的搬運和組裝任務(wù),驗證了技術(shù)流程,提供了技術(shù)積累。
【圖文】：

器、9 個紅外傳感器、觸覺陣列及一對攝像機。在 1997 到 1999 年間，日本研制了 ETS-VII 機械臂，實現(xiàn)了首次在太空抓由運動的在軌衛(wèi)星實驗[23]。如圖 1.4 所示，ETS-VII 具有 6 個自由度，長約 米，重量約為 150kg。每個關(guān)節(jié)均有無刷直流電機及諧波減速器驅(qū)動。機械端安裝了一個 6 維力/力矩傳感器和一對微型攝像機，主要用于抓取有效載荷運行軌道上完成部件置換工作。ERA 是由歐空局在國際空間站的俄羅斯艙段上安裝的具有 7 自由度的歐洲人手臂，如圖 1-5 所示，它具有對稱結(jié)構(gòu)，利用兩個手腕實現(xiàn)在空間站的移動配及艙外活動，進而減少宇航員的艙外時間，降低危險[24]。意大利空間局與歐空局共同開發(fā)了一個具有 7 自由度的空間機器ERICO[25]，如圖 1.6 所示，它的臂長 1.75 米，重量約為 58kg，具有力傳感器置傳感器。它可以安裝在 ERA 的末端，執(zhí)行更為精細的空間任務(wù)。

器、9 個紅外傳感器、觸覺陣列及一對攝像機。在 1997 到 1999 年間，日本研制了 ETS-VII 機械臂，實現(xiàn)了首次在太空抓由運動的在軌衛(wèi)星實驗[23]。如圖 1.4 所示，ETS-VII 具有 6 個自由度，長約 米，重量約為 150kg。每個關(guān)節(jié)均有無刷直流電機及諧波減速器驅(qū)動。機械端安裝了一個 6 維力/力矩傳感器和一對微型攝像機，主要用于抓取有效載荷運行軌道上完成部件置換工作。ERA 是由歐空局在國際空間站的俄羅斯艙段上安裝的具有 7 自由度的歐洲人手臂，如圖 1-5 所示，，它具有對稱結(jié)構(gòu)，利用兩個手腕實現(xiàn)在空間站的移動配及艙外活動，進而減少宇航員的艙外時間，降低危險[24]。意大利空間局與歐空局共同開發(fā)了一個具有 7 自由度的空間機器ERICO[25]，如圖 1.6 所示，它的臂長 1.75 米，重量約為 58kg，具有力傳感器置傳感器。它可以安裝在 ERA 的末端，執(zhí)行更為精細的空間任務(wù)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP241

【參考文獻】

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本文編號：2686877