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面向空间应用的人形机器人大负载一体化关节的研制

江鹏  
【摘要】:随着世界航天事业的迅速发展,利用空间机器人帮助或代替宇航员完成复杂空间任务,可以减少或避免宇航员执行舱外作业的风险,并提高空间探索的效率,具有极其重要的意义。本文针对人形机器人在空间应用的需求,并兼顾地面实验的实际情况,设计并研制了一套具有大负载能力的一体化关节,并开展实验研究。基于空间人形机器人的作业情况,分析了手部关节的功能和性能要求,并设计了一体化关节。机械上,采用直流无刷电机与谐波减速器串联的传动方式,消除了常规齿轮减速箱带来的回差,提高了传动精度,有利于提高其寿命,在满足功能性要求的同时实现关节的轻量化、小型化,且具有良好的可靠性和环境适应性。为了验证机械设计的可行性,从机械原理上对关键零部件进行了校核计算,并用有限元软件Ansys进行模态及应变的分析。该一体化关节配备有绝对位置传感器、力矩传感器、增量式编码器,为关节的三环控制提供相应的状态检测,其中绝对位置传感器检测关节的角度,用做位置环的反馈;增量式编码器检测电机的速度,用作速度环反馈;而力矩传感器检测关节的输出力矩,提供力矩反馈值。关节的控制系统包括上位机和下位机两部分,其中,下位机基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)开发的,完成传感器信息的采集及关节的伺服控制。上位机提供了友好人机交互界面,用于关节控制参数的设置及算法的调试,主要包括参数设置区,显示区,运动算法等,采用VB编写。根据设计结果,进行加工、装配、集成和测试,完成了一体化关节样机的研制,并开展了一系列实验研究,包括一体化关节开环驱动研究,载荷能力实验及连续轨迹运动控制实验。实验结果表明所研制的一体化关节具备大负载的能力,符合设计要求。


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