本文關鍵詞：行星采樣機械臂的結構設計與軌跡規(guī)劃，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：對外太空的探索是當前研究的一大熱點,其中行星采樣研究是非常重要的一環(huán)。本文主要研究一種輕量化低功耗行星采樣機械臂的結構設計和軌跡規(guī)劃,是中國處在火星探測計劃和探月工程大背景下的一次探索性研究。首先根據任務需求,確定一個整體方案,設計的采樣機械臂具有4個自由度,均為旋轉關節(jié),關節(jié)之間通過空心連桿連接,接著確定各關節(jié)的機械結構。設計的采樣機械臂可以展成三角形結構充當桅桿來支撐導航攝像頭,同時設計一種鎖定裝置確保這種三角形結構的穩(wěn)定性,該設計方案大幅度降低了總體質量和能耗。同時還進行運動仿真檢查采樣機械臂運動過程中干涉和碰撞情況,借助有限元軟件分析采樣機械臂的強度和剛度,分析的結果表明設計符合要求。接著根據設計的采樣機械臂的機械結構建立起運動學模型,通過D-H參數法推導出正運動學模型,以此為基礎求解采樣機械臂的工作空間,通過代數求解法推導出逆運動學模型,借助Robotics ToolBox工具箱進行運動學仿真,驗證其正確性。其次以推導出的運動學模型為基礎,分析采樣機械臂的軌跡規(guī)劃算法。在關節(jié)空間中分析并仿真三次多項式插值和五次多項式插值軌跡規(guī)劃算法。從仿真的結果看,三次多項式插值計算量較小,但是不能保證關節(jié)角加速度的連續(xù)性;五次多項式插值能夠保證關節(jié)角加速度的連續(xù)性,但是計算量比較大。在笛卡爾空間中分析空間直線插補和空間圓弧插補軌跡規(guī)劃算法,并進行這兩種插補算法的仿真實驗。然后在Windows平臺上,借助Visual C++6.0開發(fā)采樣機械臂三維運動仿真軟件。首先通過MFC搭建軟件的整體框架,然后通過OpenGL繪制采樣機械臂的三維簡化模型,最后將運動學的正逆解和四種軌跡規(guī)劃算法融入其中。該仿真軟件有效的驗證了運動學模型和軌跡規(guī)劃算法的正確性,同時還能夠直觀顯示軌跡規(guī)劃的仿真動畫,為物理樣機調試提供了很大的參考。最后對采樣機械臂物理樣機進行調試實驗,首先搭建采樣機械臂的硬件平臺,包括控制器、驅動器和電機的連線,然后實現運動仿真軟件和控制器之間的通信,將仿真求解的數據發(fā)送給控制器從而控制電機的運動,最后進行采樣機械臂末端的直線插補和圓弧插補實驗。實驗結果進一步的驗證了運動學模型和軌跡規(guī)劃算法的正確性。
【關鍵詞】：采樣機械臂 運動學 軌跡規(guī)劃 運動仿真
【學位授予單位】：江蘇科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP241
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 國內外研究現狀13-16
• 1.2.1 行星采樣機械臂的研究現狀13-16
• 1.2.2 機械臂軌跡規(guī)劃的研究現狀16
• 1.3 本文主要研究內容16-18
• 第2章 采樣機械臂的結構設計18-29
• 2.1 概述18
• 2.2 采樣機械臂的總體方案設計18-20
• 2.3 采樣機械臂的關節(jié)結構設計20-26
• 2.3.1 驅動方式20
• 2.3.2 關節(jié)電機和減速器20-22
• 2.3.3 腰、肩和肘關節(jié)結構22-23
• 2.3.4 腕關節(jié)和鎖定裝置23-26
• 2.4 鎖定裝置運動仿真26-27
• 2.5 強度和剛度分析27-28
• 2.5.1 挖勺強度和剛度分析27-28
• 2.5.2 機械臂整體剛度分析28
• 2.6 本章小結28-29
• 第3章 采樣機械臂的運動學模型建立29-40
• 3.1 概述29
• 3.2 正運動學分析29-33
• 3.2.1 正運動學模型的建立29-32
• 3.2.2 正運動學模型的仿真32-33
• 3.3 采樣機械臂的工作空間33-36
• 3.4 逆運動學分析36-39
• 3.4.1 逆運動學模型的建立36-38
• 3.4.2 逆運動學模型的仿真38-39
• 3.5 本章小結39-40
• 第4章 采樣機械臂的軌跡規(guī)劃40-52
• 4.1 概述40-41
• 4.2 關節(jié)空間的軌跡規(guī)劃41-46
• 4.2.1 三次多項式插值41-42
• 4.2.2 具有中間點路徑的三次多項式42-44
• 4.2.3 五次多項式插值44-46
• 4.2.4 三次多項式和五次多項式的比較46
• 4.3 笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃46-51
• 4.3.1 空間直線插補算法47-48
• 4.3.2 空間圓弧插補算法48-51
• 4.4 本章小結51-52
• 第5章 基于OpenGL機械臂運動仿真分析52-64
• 5.1 概述52-53
• 5.1.1 OpenGL概述52-53
• 5.1.2 Windows對OpenGL的支持53
• 5.2 機械臂仿真軟件實現的步驟53-58
• 5.2.1 仿真軟件框架的設計53-54
• 5.2.2 仿真實體的繪制54
• 5.2.3 運動學算法在仿真工具上的實現54-56
• 5.2.4 軌跡規(guī)劃算法在仿真工具上的實現56-58
• 5.3 仿真軟件的功能58-63
• 5.3.1 運動學正解和逆解模塊59-60
• 5.3.2 軌跡規(guī)劃仿真模塊60-63
• 5.4 本章小結63-64
• 第6章 采樣機械臂軌跡規(guī)劃實驗64-73
• 6.1 概述64
• 6.2 硬件架構64-68
• 6.2.1 控制器64-66
• 6.2.2 驅動器66-67
• 6.2.3 硬件系統的搭建67-68
• 6.3 軟件系統68-69
• 6.4 軌跡規(guī)劃實驗69-72
• 6.4.1 空間直線插補實驗70-71
• 6.4.2 空間圓弧插補實驗71-72
• 6.5 本章小結72-73
• 結論與展望73-75
• 結論73-74
• 展望74-75
• 參考文獻75-78
• 附錄78-82
• 致謝82

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1 侯保林,樵軍謀,韓宏潮;一重載高速機械臂的結構與控制同時設計[J];機械設計;2004年01期

2 賈宏亮;姚瓊;黃強;;基于質量分配的空間機械臂剛度優(yōu)化[J];中國空間科學技術;2008年03期

3 李斌;;月球車車載機械臂的研究進展及關鍵技術探討[J];機器人技術與應用;2008年03期

4 ;美大學研發(fā)腦波控制機械臂[J];機械研究與應用;2009年01期

5 任美玲;陶大錦;;機械臂的研究與進展[J];出國與就業(yè)(就業(yè)版);2012年02期

6 劉朋增;;基于移動平臺的機械臂結構分析與設計[J];企業(yè)導報;2013年11期

7 ;手術用微型機械臂[J];機器人情報;1994年01期

8 賀棚梓;;升級版加拿大機械臂[J];太空探索;2014年02期

9 張暢;唐立軍;吳定祥;賀慧勇;司妞;李濤;;六軸機械臂在冰箱能耗檢測線中的軌跡分析[J];電子科技;2014年04期

10 楊孝文;;猴子學會用控制機械臂[J];共產黨員;2008年14期

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1 王印超;賴小明;楊學寧;李建永;陳化智;陶建國;;繩驅式表取采樣機械臂的設計研究[A];中國宇航學會深空探測技術專業(yè)委員會第九屆學術年會論文集（下冊）[C];2012年

2 張繼輝;;助力機械臂在汽車制造業(yè)中的應用[A];第九屆河南省汽車工程技術研討會論文集[C];2012年

3 黃登峰;陳力;;基于雙向映射神經元網絡的漂浮基空間機械臂逆運動學控制[A];慶祝中國力學學會成立50周年暨中國力學學會學術大會’2007論文摘要集（下）[C];2007年

4 陳瑞燕;梁輝;馮永;;用于深水水下設備下放安裝的多功能機械臂[A];第十三屆中國科協年會第13分會場-海洋工程裝備發(fā)展論壇論文集[C];2011年

5 朱華里;張芳;;電機控制下的一類彈性機械臂系統的鎮(zhèn)定[A];1996年中國控制會議論文集[C];1996年

6 鄭樺;叢爽;魏子翔;;提高實際繪圖精度與速度的二自由度機械臂控制[A];2007年中國智能自動化會議論文集[C];2007年

7 劉達;王田苗;張浩;;一種用于輔助外科手術的機械臂設計[A];第十二屆全國機構學學術研討會論文集[C];2000年

8 韓清凱;張昊;高培鑫;劉金國;;機械臂系統控制同步的非線性動力學特性研究[A];第十四屆全國非線性振動暨第十一屆全國非線性動力學和運動穩(wěn)定性學術會議摘要集與會議議程[C];2013年

9 梁捷;陳力;;漂浮基空間機械臂姿態(tài)與末端抓手協調運動的模糊變結構滑�？刂芠A];慶祝中國力學學會成立50周年暨中國力學學會學術大會’2007論文摘要集（下）[C];2007年

10 劉慶杰;許向陽;戴亞平;;基于機械臂轉速的遠程廣義最小方差控制[A];全國煉鋼連鑄過程自動化技術交流會論文集[C];2006年

中國重要報紙全文數據庫 前10條

1 ;“鳳凰”輕舒機械臂,火星留下第一痕[N];新華每日電訊;2008年

2 葛秋芳;科學家讓猴子憑“意念”操縱機械臂抓取食物[N];新華每日電訊;2008年

3 毛毛;瑞典開發(fā)出不怕水的微型機械臂[N];中國高新技術產業(yè)導報;2000年

4 ;瑞典開發(fā)出不怕水的醫(yī)用微型機械臂[N];中國信息報;2000年

5 王曉晨 潘晨;讓中國“臂”炫舞太空[N];中國航天報;2012年

6 田兆運 張曉祺;“玉兔號”:機械臂投放測試成功，即將開始休眠[N];新華每日電訊;2013年

7 通訊員 祁登峰 記者 付毅飛;“玉兔”機械臂成功實施首次科學探測[N];科技日報;2014年

8 子虎;未來做手術動口不動手[N];北京科技報;2004年

9 張雪松;“衛(wèi)星抓衛(wèi)星”緣何有人不安[N];中國航天報;2013年

10 ;連續(xù)式熔銅擠壓機械臂[N];中國有色金屬報;2003年

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1 郭宇飛;不確定彈藥自動裝填系統動力學與控制研究[D];南京理工大學;2015年

2 武遵;適用于核聚變反應艙的多關節(jié)機械臂關鍵技術研究[D];中國科學技術大學;2016年

3 江沛;復雜約束下的串聯機械臂運動學控制方法研究[D];浙江大學;2015年

4 東輝;冗余機械臂運動學及移動平臺航位推算和軌跡規(guī)劃研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

5 宋韜;輪式移動機械臂傾覆與滑移問題研究[D];上海大學;2016年

6 王琨;提高串聯機械臂運動精度的關鍵技術研究[D];中國科學技術大學;2013年

7 杜濱;全方位移動機械臂協調規(guī)劃與控制[D];北京工業(yè)大學;2013年

8 張鵬;機械臂協調操作柔性負載系統動力學與控制[D];吉林大學;2010年

9 唐志國;機械臂操作柔性負載系統分布參數建模與控制方法研究[D];吉林大學;2011年

10 叢佩超;空間機械臂抓取目標的碰撞前構型規(guī)劃與控制問題研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2009年

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1 龐征博;船舶大分段劃線機械臂控制技術研究[D];大連理工大學;2012年

2 李彬;基于平行機構的發(fā)動機缸蓋螺栓擰緊機械臂的研發(fā)[D];華南理工大學;2015年

3 劉彩鳳;不同重力環(huán)境下空間機械臂摩擦補償控制研究[D];燕山大學;2015年

4 王海濱;基于TMS320F2812的一階機械臂控制系統的研究[D];東北林業(yè)大學;2015年

5 賈召敏;排爆機械臂結構設計與控制研究[D];南京理工大學;2015年

6 張會會;某機械臂液壓系統可靠性分析[D];南京理工大學;2015年

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8 林俐;托卡馬克柔性內窺機械臂剛柔耦合動力學建模與仿真[D];上海交通大學;2015年

9 謝廣慶;托卡馬克腔內作業(yè)機械臂運載車系統研究[D];上海交通大學;2015年

10 岳宗帥;可重構機械臂關節(jié)模塊控制器設計及運動控制研究[D];沈陽理工大學;2015年

  本文關鍵詞：行星采樣機械臂的結構設計與軌跡規(guī)劃，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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