行星采样机械臂的结构设计与轨迹规划

摘要

对外太空的探索是当前研究的一大热点，其中行星采样研究是非常重要的一环。本文主要研究一种轻量化低功耗行星采样机械臂的结构设计和轨迹规划，是中国处在火星探测计划和探月工程大背景下的一次探索性研究。
　　首先根据任务需求，确定一个整体方案，设计的采样机械臂具有4个自由度，均为旋转关节，关节之间通过空心连杆连接，接着确定各关节的机械结构。设计的采样机械臂可以展成三角形结构充当桅杆来支撑导航摄像头，同时设计一种锁定装置确保这种三角形结构的稳定性，该设计方案大幅度降低了总体质量和能耗。同时还进行运动仿真检查采样机械臂运动过程中干涉和碰撞情况，借助有限元软件分析采样机械臂的强度和刚度，分析的结果表明设计符合要求。
　　接着根据设计的采样机械臂的机械结构建立起运动学模型，通过D-H参数法推导出正运动学模型，以此为基础求解采样机械臂的工作空间，通过代数求解法推导出逆运动学模型，借助Robotics ToolBox工具箱进行运动学仿真，验证其正确性。
　　其次以推导出的运动学模型为基础，分析采样机械臂的轨迹规划算法。在关节空间中分析并仿真三次多项式插值和五次多项式插值轨迹规划算法。从仿真的结果看，三次多项式插值计算量较小，但是不能保证关节角加速度的连续性；五次多项式插值能够保证关节角加速度的连续性，但是计算量比较大。在笛卡尔空间中分析空间直线插补和空间圆弧插补轨迹规划算法，并进行这两种插补算法的仿真实验。
　　然后在Windows平台上，借助Visual C++6.0开发采样机械臂三维运动仿真软件。首先通过 MFC搭建软件的整体框架，然后通过 OpenGL绘制采样机械臂的三维简化模型，最后将运动学的正逆解和四种轨迹规划算法融入其中。该仿真软件有效的验证了运动学模型和轨迹规划算法的正确性，同时还能够直观显示轨迹规划的仿真动画，为物理样机调试提供了很大的参考。
　　最后对采样机械臂物理样机进行调试实验，首先搭建采样机械臂的硬件平台，包括控制器、驱动器和电机的连线，然后实现运动仿真软件和控制器之间的通信，将仿真求解的数据发送给控制器从而控制电机的运动，最后进行采样机械臂末端的直线插补和圆弧插补实验。实验结果进一步的验证了运动学模型和轨迹规划算法的正确性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 采样机械臂的结构设计

2.1 概述

2.2 采样机械臂的总体方案设计

2.3 采样机械臂的关节结构设计

2.4 锁定装置运动仿真

2.5 强度和刚度分析

2.6 本章小结

第3章 采样机械臂的运动学模型建立

3.1 概述

3.2正运动学分析

3.3 采样机械臂的工作空间

3.4逆运动学分析

3.5 本章小结

第4章 采样机械臂的轨迹规划

4.1 概述

4.2 关节空间的轨迹规划

4.3 笛卡尔空间的轨迹规划

4.4 本章小结

第5章 基于OpenGL机械臂运动仿真分析

5.1 概述

5.2 机械臂仿真软件实现的步骤

5.3 仿真软件的功能

5.4 本章小结

第6章 采样机械臂轨迹规划实验

6.1 概述

6.2 硬件架构

6.3 软件系统

6.4 轨迹规划实验

6.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

附录

致谢