空间机械臂关节精细动力学模型的建立及关节力矩控制

针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题,建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型,该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度,而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法,并以此建立关节力矩控制系统,利用Runge|Kutta算法对关节精细动力学模型进行了数值计算。计算结果表明,此关节力矩控制方法约有1.7%的稳态误差,能满足关节力矩控制的需要;基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法有效地解决了提高关节力矩测量精度与保持传感器刚度之间的矛盾。     

基于姿态可操作度的机械臂尺寸优化方法

为解决机械臂尺寸优化设计问题,首先定义了表征灵活性的数值指标——姿态概率系数,即指定工作点上可行样本姿态与所取样本姿态之间的比值;之后根据姿态概率系数提出了姿态可操作度概念,它表征了机械臂在工作空间上的整体可操作性.在此基础上,提出了机械臂尺寸优化方法.该方法在机械臂原有结构设计的基础上,以机械臂自身无碰撞为约束条件,以姿态可操作度的倒数为适应度函数,利用遗传算法优化机械臂的尺寸参数,使优化后机械臂的可操作性最优.以六自由度(DOF)机械臂为例的优化结果表明:优化后机械臂姿态可操作度提高了40.33%.最后利用灵活性工作空间图进一步验证了算法的有效性,并讨论了姿态概率系数对优化结果的影响.      

柔性制造系统加盖机械手的PLC控制

柔性制造系统的加盖机械手是通过PLC控制程序来实现自动控制的。因此,PLC控制程序的设计就显得尤为重要。首先介绍了柔性制造系统的加盖机械手,进而编写了加盖机械手的控制程序,经实验验证,达到了预期的效果。     

量化六自由度并联机构工作空间的六维超椭球体计算方法及其应用

基于头盔伺服系统执行机构的结构优化设计需求,提出了一种量化六自由度并联机构工作空间的六维空间超椭球体的计算方法,该方法的计算过程包括二维包络椭圆的求解和六维超椭球体的计算两部分。首先,重新总结和归纳了包络椭圆的定义,提出了包络椭圆的计算方法,在计算过程中提出了椭圆中心坐标修正步长、包络椭圆的两半轴长修正因子以及纵轴半轴长修正步长等概念,实现了对椭圆中心和半轴长的动态修正,提高了包络椭圆计算的准确性和智能化水平,采用调整系数来实时修改修正步长,保证了计算过程的收敛性;其次,给出了判定包络椭圆的条件和方法,方便了对计算方法有效性的验证;再次,提出了根据投影面内包络椭圆几何信息求解六维超椭球体的方法;最后,对包络超椭球体的计算方法进行了实例计算与验证,并通过实例计算对该方法用于六自由度并联机构工作空间优化的可行性和实用性进行了验证。结果表明:各投影面的包络椭圆均符合判定条件,即本文对包络椭圆与超椭球体的计算是准确的;优化结果对应的工作空间内接六维超椭球体能完全包含目标工作空间的包络超椭球体,即采用超椭球体来量化和优化六自由度并联机构工作空间是可行的,且具有较好的实用性。     

月球采样机械臂系统设计及试验验证

在对月球采样返回任务需求及探测器系统任务剖面进行分析的基础上,设计并研制了一种轻量化、大负载、高精度、宽采样范围月球采样机械臂系统。该系统主要由4自由度机械臂及两种不同采样形式的末端采样器组成,可对不同指定区域浅层月壤进行铲、挖、浅钻等多形式采集。在综合考虑机械臂系统器上布局的基础上,基于运动学模型对采样机械臂的可达采样区域进行仿真分析,提出采样机械臂月面采样策略。基于等尺寸着陆器模拟平台,开展了针对3种不同密实度模拟月壤的采样试验,采样试验结果表明在可达采样空间内,采样机械臂对不同密实度月壤均具有较好的适应性,最大采样深度可达30 mm,最大单次采样量可达270 g,单次采样时间小于2 min。     

空间机械臂抓取目标动力学与寻的制导控制

针对安装有两连杆机械臂的航天器对地球圆轨道上的空间目标已形成自由绕飞（即满足齐次C-W方程）的情形,研究通过机械臂抓取该目标的系统动力学建模与制导控制问题。在目标固连旋转参考系下,运用非惯性系下的拉格朗日分析力学,建立了两连杆机械臂系统动力学方程。忽略惯性耦合影响,对模型进行了合理简化,在此基础上设计了机械臂末端执行器即机械手抓取目标的寻的制导控制规律。然后代入原始复杂模型,进行数值仿真校验。结果表明,在机械臂载体自由绕飞空间目标的条件下,机械手能够准确地抓住目标。     

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题,提出一种反作用最优控制方法,该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务,而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动,利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力,使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小,从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真,证实了方法的有效性。     

Nonlinear dynamic analysis of a multi-link manipulator with flexible links-joints mounted on a mobile platform

The present work theoretically demonstrates the dynamic analysis of a planar multi-link manipulator considering flexible links and joints mounted on a moving base. A nonlinear model of a multi-manipulator (N-links) has been developed accounting for an equivalent bi-directional mobile base. The nonlinear Euler-Bernoulli beam and spring-inertia/mass system have been introduced to demonstrate the flexibilities of links and joints, respectively. Modal analysis followed by trajectory analysis has been performed to investigate the behaviors of manipulator taking into account of accurate boundary conditions. Further, vibration characteristics, steady-state responses, and their stability at resonant situations due to joint motions and inertial coupling have been studied. Results of exploiting geometric and inertial coupling due to flexible arms on stability analysis of steady-state responses have been investigated and have been subsequently verified with the findings by directly solving the governing equations. Steady-state response characteristics to explore the dynamics of the multi-link manipulators under resonant states have been studied with the varying actuator mass, the flexibility of links, lifted payload, and joint parameters. The results thus obtained, deliver a useful insight into the position analysis and long-term behavior of multi-link flexible manipulators under harmonic hub-joint motions that shall further enable its proper vibration attenuation and control.