一种新型更换装置的设计及其操作策略的研究

摘要

在过去的二十年中,空间开发中的一些重大成功越发凸显了在轨维护的重要性。作为空间开发者,我们的挑战已经超出了仅仅发射复杂的航天器系统。我们面临的需求是如何更加充分的开发已发射航天器系统,来构建大型组织结构进行新的科学研究和为下一步空间开发提供经济效益高的可靠的的支持。由于空间环境的复杂多样性及出舱活动的高风险性,使得各国都加快了空间机器人技术的研究。能够操作多种不同负载的空间机械臂末端更换装置成了该领域的关键技术之一。本文研制了一种具有大容差校正能力的末端更换装置。
　　本文研制了一种只需一个电机驱动外凸缘式体凸轮,就可以同步完成负载捕获锁紧和电气接口推送的更换装置。该装置同时具备套筒力矩输出接口,可以为外负载提供动力输入。对其关键部件进行了设计优化,并利用有限元分析软件对关键部件做了强度校核。电气系统采用分层嵌入式控制系统,介绍了电机驱动板、控制板及传感器采集模块。
　　具有容差能力的电气接口已经成为许多空间机器人末端执行器的重要组成部分之一,使得末端执行器与接口端能够实现电源供给和通信连接。本文设计了一种基于圆拱形片弹簧的电器插头外围基座,使普通电器接头获得了容差能力。通过有限元软件的参数化设计方法,分析了片弹簧各变量对其变形的影响。然后由接触分析验证了选取的参数的合理性。通过 ADAMS软件分析,刚度非线性片弹簧的动态响应特性明显优于当量刚度的线性弹簧。拱形片弹簧的使用使外围基座尺寸较之以往的设计大幅缩减,提高了机器人接口设计的紧凑性,扩展了传统电器接头在航天领域的使用范围。
　　对末端执行器与负载接口间的导向配合半球曲面,从模块几何布局角度,结合力学条件与优化目标,选定了设计参数。通过 ADAMS虚拟仿真平台,对其容差能力进行了分析验证。利用四自由度机械臂实验平台进行了静态插入实验,得到了与理论分析和仿真相吻合的结果。
　　最后,通过仿真分析结合静态插入实验,研究了末端执行器与接口初始位姿偏差模式,提出了一种主动柔顺插接策略,动态插接实验验证了其可靠性。末尾,仿真分析了其捕获能力。

目录

一种新型更换装置的设计及其操作策略的研究

DESIGN OF A NEW EXCHANGE DEVICE AND RESEARCH ON ITS MANIPULATING STRATEGY

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 空间机器人末端更换装置的研究现状

1.3 具有容差能力的电气接口的研究

1.4 课题 来源及本文主要研究内容

第2章 末端更换装置的设计

2.1 引言

2.2 总体方案设计

2.3 电气系统组成

2.4 本章小结

第3章 容差能力电气接口的设计

3.1 引言

3.2 拱形片弹簧容差电气接口的组成

3.3 片弹簧参数设置与确定

3.4 弹簧片动态响应性能

3.5 模态分析

3.6 本章小结

第4章 容差能力分析及实验验证

4.1 引言

4.2 几何容差分析

4.3 虚拟仿真测试

4.4 实验验证

4.5 本章小结

第5章 对接捕获策略

5.1 引言

5.2 对接过程分析

5.3 捕获能力范围分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的术论文

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致 谢