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用于航天服操作能力检测的机器人动力学研究

张春  
【摘要】:舱外航天服为航天员在出舱活动时提供基本的生命保障,由于航天员要完成各种舱外作业,因此要求航天服具有很高的活动性能,这就涉及到航天服工效学的问题。其中舱外航天服工作域是航天服工效学研究的重点之一。本文针对已研制的舱外航天服操作能力测试机械臂,采用机器人学原理,研究了其运动学与动力学特性,讨论了舱外航天服操作能力测量中的动力学影响,为航天服工效学的研究提供重要工具。本论文的主要工作包括以下几个方面。 基于运动学、动力学有关的理论知识,刚体空间位置和姿态的描叙方法以及齐次坐标和坐标变换矩阵,建立检测机械臂坐标系和齐次变换矩阵以及运动学数学模型,并讨论机械臂的工作空间以及正、逆运动学问题。利用蒙特卡罗法通过Matlab计算出机械臂的工作空间,验证检测机械臂完成测量任务的可行性。采用D-H法建立机械臂的运动学方程,利用Matlab/Simulink和Robotics ToolBox两种方法对机械臂的正向运动进行仿真分析,得到机械臂关节空间的运动参数。运用FM算法对机械臂的逆运动学进行分析计算,为检测机械臂的动力学建模及仿真打下了基础。 对检测机械臂的力学参数进行计算,机械臂各杆的质量和质心位置的确定及杆的转动惯量的计算。根据机械臂各个关节的质心位置及转动惯量,在运动学模型的基础上运用联立约束法建立机械臂的正向、逆向动力学方程,通过Matlab /Simulink进行动力学仿真求解,得到当已知机械臂的初始姿态及施加在末端测头的外力时,根据建立的正向动力学方程,通过Matlab编程,由Simulink仿真求解出各个关节的角度、角速度、角加速度和末端测点的加速度变化趋势,研究了恒力操作时,机械臂的运动特性。当机械臂末端测头沿着某曲线运动,给定该点的运动学特征,根据建立的机械臂逆动力学方程,通过Matlab/Simulink仿真求解得到了施加在末端测点力的变化。 对检测机械臂进行了3-D建模,按照拉格朗日动力学理论,利用Adams软件和Matlab软件进行动力学联合仿真,得到了一致的结果。 按照动力学研究结果,制定了舱外航天服操作能力测试的操作方法,并通过人的多次操作进行验证,为测试身着航天服宇航员的可达域、可操作域操作规程提供了指导。编写了实验数据的离线处理软件,对可达域、可操作域以及可视域的实验结果进行二维、三维可视化处理,完善了检测系统的实用性。 本文完成的检测机械臂的动力学研究,提高了现有检测机械臂的测量精度,也为恒阻力检测机器人的特性及控制研究打下了基础。


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