空間自定位機(jī)械臂末端執(zhí)行器及其捕獲與鎖緊的研究.pdf

1、自定位機(jī)械臂不受自身長(zhǎng)度和一端永久固定的限制，能將機(jī)械臂的操作范圍和空間工作體積遍及整個(gè)空間艙段的外部，更好的適應(yīng)我國(guó)未來(lái)空間站建設(shè)與日常維護(hù)。自定位機(jī)械臂的兩端配備相同的末端執(zhí)行器。現(xiàn)有空間自定位機(jī)械臂的末端執(zhí)行器不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)大捕獲容差、中心機(jī)械動(dòng)力輸出與機(jī)構(gòu)集成。附加功能需額外設(shè)備，限制機(jī)械臂的在軌服務(wù)能力。因此，研究具備這種功能的末端執(zhí)行器以及提出一種針對(duì)典型ORU更換任務(wù)的柔順操作方法對(duì)我國(guó)空間機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有很好的促進(jìn)作用。

2、
　　針對(duì)大捕獲容差與中心機(jī)械動(dòng)力輸出不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，提出三根手指抓捕三葉狀接口的捕獲方案，并建立捕獲機(jī)構(gòu)。建立手指與捕獲機(jī)構(gòu)兩者驅(qū)動(dòng)力之間的函數(shù)關(guān)系，得到拖動(dòng)形式與機(jī)構(gòu)。針對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)死點(diǎn)或偏心鎖緊的不足和系統(tǒng)的誤差、變形吸收要求，提出一種柔性單元鎖緊方案。針對(duì)大捕獲容差與機(jī)構(gòu)集成不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，提出捕獲與鎖緊功能性獨(dú)立、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，依據(jù)準(zhǔn)則建立機(jī)構(gòu)、捕獲順序、功能和手指軌跡之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系提出一種捕獲手指在完成捕

3、獲后拖動(dòng)捕獲接口收縮的過(guò)程中與靜止的鎖緊機(jī)構(gòu)形成聯(lián)動(dòng)——中程聯(lián)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則，并建立一種鉤-軸聯(lián)動(dòng)方式和機(jī)構(gòu)，最后采用反推法從聯(lián)動(dòng)集成的角度得到鎖緊機(jī)構(gòu)。依據(jù)功能與結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到捕獲接口的具體結(jié)構(gòu)。
　　根據(jù)捕獲方案，重新定義捕獲容差。針對(duì)位置容差變量獨(dú)立、角度容差變量耦合，提出單維與全維相結(jié)合的分析方法和容差分析的四條標(biāo)準(zhǔn)。建立嚙合面內(nèi)與軸向四個(gè)單維容差變量分析的數(shù)學(xué)模型，得到單維容差的范圍。針對(duì)偏航和俯仰旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致捕獲特

4、征空間運(yùn)動(dòng)不一致，采用捕獲手平面與嚙合底板邊線的旋轉(zhuǎn)軌跡相交將邊界點(diǎn)約束在平面內(nèi)，并與捕獲手指的平面抓捕區(qū)域邊界相比較的方法，建立角度容差變量分析的數(shù)學(xué)模型，得到角度容差的范圍。單維容差分析的數(shù)學(xué)模型為全維容差分析提供理論依據(jù)。針對(duì)后者，提出三視圖法分析全維容差變量變化的邊界約束條件。建立捕獲特征空間邊界點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和變換后三視圖投影的數(shù)學(xué)模型。嚙合面上，采用斜率比較和長(zhǎng)方形區(qū)域約束兩種方法得到平面內(nèi)的全維容差變化范圍的邊界約束條件

5、的數(shù)學(xué)模型；捕獲手指平面及其過(guò)末端執(zhí)行器軸線的法向平面上，采用單維軸向位置容差范圍與標(biāo)準(zhǔn)三分析得到軸面內(nèi)的全維容差變化范圍的邊界約束條件的數(shù)學(xué)模型。仿真結(jié)果表明模型的捕獲容差滿足要求。
　　建立捕獲與鎖緊過(guò)程同手指軌跡之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明過(guò)程與捕獲接口的初始位姿無(wú)關(guān)。建立捕獲過(guò)程分析的數(shù)學(xué)模型，得到捕獲、拖動(dòng)和中程聯(lián)動(dòng)三個(gè)階段的捕獲接口、捕獲手指和鎖緊機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系表達(dá)式。為使中程聯(lián)動(dòng)成功，建立聯(lián)動(dòng)捕獲、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)確定的約束

6、關(guān)系和機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系模型。建立鎖緊過(guò)程分析的數(shù)學(xué)模型，得到鎖緊手指捕獲、驅(qū)動(dòng)捕獲接口分離的約束關(guān)系和鎖緊過(guò)程中的聯(lián)動(dòng)關(guān)系表達(dá)式。建立捕獲力、鎖緊力與捕獲接口作用力之間的關(guān)系表達(dá)式，得到捕獲與鎖緊功能性獨(dú)立的理論證明。利用分形理論和虛擬材料理論建立鎖緊狀態(tài)下嚙合面的剛度特性模型。建立釋放過(guò)程分析的數(shù)學(xué)模型，得到安全釋放條件。仿真結(jié)果表明捕獲與鎖緊過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為末端執(zhí)行器的捕獲操作分析提供了理論依據(jù)。
　　繼樣機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性、剛度

7、等性能測(cè)試滿足要求之后，捕獲容差在由兩臺(tái)工業(yè)機(jī)械臂組成的系統(tǒng)平臺(tái)上測(cè)量，結(jié)果顯示樣機(jī)的容差范圍滿足要求。末端執(zhí)行器的自定位捕獲與有效載荷捕獲在氣浮平臺(tái)上測(cè)試，結(jié)果表明中程聯(lián)動(dòng)能明確區(qū)分捕獲與鎖緊過(guò)程，實(shí)現(xiàn)兩者功能性獨(dú)立。在樣機(jī)性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，執(zhí)行ORU更換在軌模擬實(shí)驗(yàn)。確立ORU更換過(guò)程中的接觸狀態(tài)為非共形接觸和共形接觸，分別建立基于Hertz理論和Winkler彈性地基理論的兩類順從接觸模型，由此提出基于接觸動(dòng)力學(xué)管理策略的ORU更