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《重庆大学》 2016年
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月壤采样试验月面着陆位姿模拟关键技术研究

郭宗环  
【摘要】:我国月球探测第三期工程计划在2017年左右发射探测器,其主要目标为实现月球样品(月壤)的采样返回。月壤采样试验是指在地面真实模拟月面复杂环境,模拟不同的着陆位姿,得到钻采、表采试验数据。本文根据月壤采样试验对月面平台着陆位姿模拟的要求指标,综合国内外月面着陆位姿模拟机构的研究,通过多方案设计对比分析,创新性地设计并制造了一种基于刚度可调的月壤采样试验月面着陆位姿的三自由度大工作空间并联机构。其主要特点是由三个伺服电机驱动相应驱动杆伸缩,串联恰约束支链布置在机构的中间,严格约束动平台的三个位姿方向的位姿模拟;最终通过三个驱动杆与中间恰约束支链之间锁紧与松开的共同配合实现机构的刚度可调。主要研究内容如下。月面着陆位姿模拟结构采用具有串联恰约束支链的三自由度并联结构。通过安装在动平台上的钻取、表取采样装置采集数据,完成采样封装试验。文中根据月面着陆位姿模拟机构模型方案,构建出运动学的正解、逆解方程,其纯并联机构的雅可比矩阵可采用基于符号运算微分变化式求解,而串联恰约束支链雅可比矩阵则利用D-H法求解,进而得到机构的完整雅可比矩阵。利用雅可比矩阵,研究月面着陆位姿模拟机构的奇异性。采用搜索法求解机构的工作空间,满足月面着陆位姿模拟机构的工作空间限制要求,获得各个自由度方向工作空间大小。采用虚功原理构建月面着陆位姿模拟机构动力学模型并对典型运动进行动力学仿真。利用雅可比矩阵微分项构建月面着陆位姿模拟机构刚度模型,获得月面着陆位姿模拟机构刚度分布情况。对月面着陆位姿模拟机构柔度进行分析,得到了机构传统刚度模型、运动学静刚度模型和灵活度刚度模型的刚度分布情况。进一步分析机构在不同锁紧状态下的固有频率,得出恰约束支链的锁紧状态与机构刚度间的关系,结果表明采用全部锁紧的方式提高机构的刚度。提出一种以速度性能与可操作度性能为优化目标的优化方法。根据影响月面着陆位姿模拟机构性能的主要尺寸参数,以动平台半径、定平台半径、速度性能及可操作度性能组成优化目标函数,确定尺寸参数范围,完成了月面着陆位姿模拟机构尺寸参数优化,满足月壤采样试验月面着陆位姿模拟的工作空间要求。提出了基于月面着陆位姿模拟机构驱动支链的补偿方法。利用矢量法构建月面着陆位姿模拟机构误差方程,分析各个误差源对精度的影响,提出精度判定指标,为精度分析和误差的补偿提供理论基础。利用激光跟踪仪的测量结果对运动学模型进行修正,补偿驱动杆杆长零位初始位置,调整机构初始位姿。实验结果表明,采用该方法机构运动精度达到角度方向0.1°,位移0.1mm,为月壤准确采样提供了保障。提出了一种基于机构杆长误差和运动副铰链安装误差的机构可靠度求解模型。在研究并联机构可靠度求解方法基础上,计算机构在三个方向的运动可靠度。针对常用的试验位姿参数,对机构可靠度进行求解,得到可靠度均在0.99105以上,表明机构具有良好的运动可靠度。最后,构建月面着陆位姿模拟机构的测试试验系统,建立月壤采样试验月面着陆位姿模拟控制系统方案,开展了现场试验。试验测试表明,机构可实现各种单自由度及3自由度耦合运动,且耦合空间达?20?/450 mm、运动精度达0.1°/0.5mm,满足月面着陆位姿模拟机构设计要求。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P184.5

【参考文献】
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