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可用于运动目标捕获的行星齿轮式差动欠驱动机械臂研究

王清川  
【摘要】:随着环绕地球飞行的卫星日益增多,迫切需要专门的服务卫星开展对轨道上现有飞行器进行诸如燃料加注、维护维修等在轨服务。在轨服务首要解决的问题是完成目标卫星的在轨捕获。由于服务卫星的速度和姿态很难与目标卫星保持一致并在相对静止的状态下完成目标捕获,服务卫星的捕获执行器与目标卫星不可避免地发生碰撞,从而对目标卫星或服务卫星造成不利的影响。因此,需要针对具有碰撞适应能力的捕获执行器开展深入研究。空间机械臂具有运动灵活、包络空间大等优势,可用于执行运动目标的捕获任务。常规的全驱动机械臂的速度或位移控制模式,容易引起机械臂与目标卫星的刚性碰撞,对机械臂关节造成不利的影响。常采用力-位混合的控制方式应对碰撞,由于控制系统存在时间延迟,全驱动机械臂无法在碰撞瞬间作出及时的处理。常规的全驱动机械臂在执行捕获任务过程中难以避免刚性碰撞,为此,本文提出一种基于差动行星齿轮原理的欠驱动机械臂,拟采用机械臂的欠驱动特性在捕获过程中利用机械本体吸收碰撞能量,以降低碰撞对机械臂关节的不利影响。本文将围绕欠驱动机构动力学特性及碰撞控制方法展开研究。提出基于差动行星齿轮的欠驱动机械臂传动方案,该三自由度机械臂的基关节由一个电机驱动;中关节和末关节由另一个电机通过差动行星齿轮驱动;中关节和末关节对运动目标具有被动适应能力。分析了机械臂对运动目标的包络过程,分别建立欠驱动机械臂的运动学与静力学模型,获取机械臂欠驱动关节间运动关系及静力传递特性。研制了原理样机,对所建立运动学与静力学模型进行了验证。由于欠驱动机械臂通常存在抓握不稳定问题,通过计算机械臂与抓取目标接触点轨迹以及平衡接触力方向,分析机械臂抓握的稳定工作条件。在分析中引入了机械臂的臂骨长度比、关节间减速比以及位姿参数,利用中关节臂骨零接触力位置曲线与接触点临界运动轨迹将机械臂工作空间划分为四个区域,并分析每个区域的稳定性。基于穷举法结合,以机械臂抓握过程存在的几何关系边界条件为约束,以机械臂抓握稳定空间最大为目标,进行机械臂欠驱动关节参数的优选。除机械臂自身的抓取稳定性之外,从机械臂抓握力分配合理性以及被捕获目标稳定性两个角度,优选机械臂全驱动关节臂骨长度。所提出的机械臂利用欠驱动机构能够实现碰撞能量的分流,从而降低关节处驱动部件在碰撞中所受冲击。通过分析机械臂关节的运动耦合特性,求解对应于广义坐标的广义力,利用拉格朗日法构建机械臂系统动力学模型。结合机械臂系统动力学模型,构建机械臂与抓取目标间的碰撞动量平衡方程。引入系统恢复系数,分析碰撞瞬间机械臂各关节和碰撞目标间动量分配过程,建立机械臂与物体间的碰撞动力学方程。与相同构型的全驱动机械臂进行对比,分析欠驱动机械臂对冲击的削弱效果。采用计算力矩法在控制回路中引入非线性补偿,将中关节动力学模型简化为易于控制的线性定常系统,完成欠驱动关节的轨迹跟踪控制。基于阻抗控制方法开展碰撞运动控制器设计。根据反向动量的大小和关节位置调节输入驱动力矩,控制机械臂关节以弹簧阻尼单元的形式处理碰撞后关节的反向动量。分析采用不同弹簧阻尼模型的动态响应特性,修改阻抗控制动态模型,减少冲击动量的处理过程中关节反弹。


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