本文選題：目標(biāo)捕獲 + 欠驅(qū)動(dòng)臂�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著環(huán)繞地球飛行的衛(wèi)星日益增多,迫切需要專門的服務(wù)衛(wèi)星開(kāi)展對(duì)軌道上現(xiàn)有飛行器進(jìn)行諸如燃料加注、維護(hù)維修等在軌服務(wù)。在軌服務(wù)首要解決的問(wèn)題是完成目標(biāo)衛(wèi)星的在軌捕獲。由于服務(wù)衛(wèi)星的速度和姿態(tài)很難與目標(biāo)衛(wèi)星保持一致并在相對(duì)靜止的狀態(tài)下完成目標(biāo)捕獲,服務(wù)衛(wèi)星的捕獲執(zhí)行器與目標(biāo)衛(wèi)星不可避免地發(fā)生碰撞,從而對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星或服務(wù)衛(wèi)星造成不利的影響。因此,需要針對(duì)具有碰撞適應(yīng)能力的捕獲執(zhí)行器開(kāi)展深入研究。空間機(jī)械臂具有運(yùn)動(dòng)靈活、包絡(luò)空間大等優(yōu)勢(shì),可用于執(zhí)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的捕獲任務(wù)。常規(guī)的全驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的速度或位移控制模式,容易引起機(jī)械臂與目標(biāo)衛(wèi)星的剛性碰撞,對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)造成不利的影響。常采用力-位混合的控制方式應(yīng)對(duì)碰撞,由于控制系統(tǒng)存在時(shí)間延遲,全驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂無(wú)法在碰撞瞬間作出及時(shí)的處理。常規(guī)的全驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂在執(zhí)行捕獲任務(wù)過(guò)程中難以避免剛性碰撞,為此,本文提出一種基于差動(dòng)行星齒輪原理的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂,擬采用機(jī)械臂的欠驅(qū)動(dòng)特性在捕獲過(guò)程中利用機(jī)械本體吸收碰撞能量,以降低碰撞對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的不利影響。本文將圍繞欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性及碰撞控制方法展開(kāi)研究。提出基于差動(dòng)行星齒輪的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂傳動(dòng)方案,該三自由度機(jī)械臂的基關(guān)節(jié)由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng);中關(guān)節(jié)和末關(guān)節(jié)由另一個(gè)電機(jī)通過(guò)差動(dòng)行星齒輪驅(qū)動(dòng);中關(guān)節(jié)和末關(guān)節(jié)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有被動(dòng)適應(yīng)能力。分析了機(jī)械臂對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的包絡(luò)過(guò)程,分別建立欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)與靜力學(xué)模型,獲取機(jī)械臂欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)關(guān)系及靜力傳遞特性。研制了原理樣機(jī),對(duì)所建立運(yùn)動(dòng)學(xué)與靜力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。由于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂通常存在抓握不穩(wěn)定問(wèn)題,通過(guò)計(jì)算機(jī)械臂與抓取目標(biāo)接觸點(diǎn)軌跡以及平衡接觸力方向,分析機(jī)械臂抓握的穩(wěn)定工作條件。在分析中引入了機(jī)械臂的臂骨長(zhǎng)度比、關(guān)節(jié)間減速比以及位姿參數(shù),利用中關(guān)節(jié)臂骨零接觸力位置曲線與接觸點(diǎn)臨界運(yùn)動(dòng)軌跡將機(jī)械臂工作空間劃分為四個(gè)區(qū)域,并分析每個(gè)區(qū)域的穩(wěn)定性�；诟F舉法結(jié)合,以機(jī)械臂抓握過(guò)程存在的幾何關(guān)系邊界條件為約束,以機(jī)械臂抓握穩(wěn)定空間最大為目標(biāo),進(jìn)行機(jī)械臂欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)參數(shù)的優(yōu)選。除機(jī)械臂自身的抓取穩(wěn)定性之外,從機(jī)械臂抓握力分配合理性以及被捕獲目標(biāo)穩(wěn)定性兩個(gè)角度,優(yōu)選機(jī)械臂全驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)臂骨長(zhǎng)度。所提出的機(jī)械臂利用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞能量的分流,從而降低關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)部件在碰撞中所受沖擊。通過(guò)分析機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)耦合特性,求解對(duì)應(yīng)于廣義坐標(biāo)的廣義力,利用拉格朗日法構(gòu)建機(jī)械臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)合機(jī)械臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,構(gòu)建機(jī)械臂與抓取目標(biāo)間的碰撞動(dòng)量平衡方程。引入系統(tǒng)恢復(fù)系數(shù),分析碰撞瞬間機(jī)械臂各關(guān)節(jié)和碰撞目標(biāo)間動(dòng)量分配過(guò)程,建立機(jī)械臂與物體間的碰撞動(dòng)力學(xué)方程。與相同構(gòu)型的全驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行對(duì)比,分析欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂對(duì)沖擊的削弱效果。采用計(jì)算力矩法在控制回路中引入非線性補(bǔ)償,將中關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化為易于控制的線性定常系統(tǒng),完成欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤控制。基于阻抗控制方法開(kāi)展碰撞運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)。根據(jù)反向動(dòng)量的大小和關(guān)節(jié)位置調(diào)節(jié)輸入驅(qū)動(dòng)力矩,控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)以彈簧阻尼單元的形式處理碰撞后關(guān)節(jié)的反向動(dòng)量。分析采用不同彈簧阻尼模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,修改阻抗控制動(dòng)態(tài)模型,減少?zèng)_擊動(dòng)量的處理過(guò)程中關(guān)節(jié)反彈。
[Abstract]:An underactuated robot arm based on differential planetary gear has been developed in this paper . It is difficult to avoid rigid collision between manipulator and target satellite .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：V441

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