空间机器人捕获手爪的研究

摘要

随着空间技术的发展，人类对太空的探索将越来越频繁，对空间机器人技术的研究已成为各国关注的重点，本文以国家863项目“空间机器人”为背景，重点针对空间机器人捕获手爪进行了设计与研究。 根据实际任务要求，并考虑手爪的特定工作环境，文中提出了以四杆机构作为手爪本体结构的总体设计方案，选用无刷直流电机作为系统驱动机构，选用锥齿轮作为系统的传动机构，并给予详尽的理论分析。然后采用模块化设计理念，利用三维建模软件Pro/E对手爪各组成零件进行了系列化设计，并将设计零件进行虚拟装配，以验证设计思路的正确性。 文中采用矢量分析法，建立了手爪的运动学方程。并以拉格朗日方程为基础建立系统的动力学方程，确定了手爪各运动构件的位置和姿态关系以及手爪各构件运动和作用力之间的关系。使用ADAMS动力学分析软件对手爪系统进行了详尽的分析，求出了满足系统设计要求的最小驱动力矩，为控制系统的设计提供了理论依据。 文中根据经典控制理论，采用电流、速度、位置三环控制作为系统控制策略。以TMS320LF2407为核心器件设计控制系统电路和CAN总线通信电路，并完成系统软件模块设计，给出系统各模块的软件流程图。 为验证控制系统的性能，设计手爪电模拟器，给出设计其硬件电路和软件设计方案。最后完成电联式系统的性能测试，测试结果表明：手爪电模拟器CAN总线通信性能稳定，伺服控制系统能良好。 最后根据加工的实际零件并结合所设计的手爪控制器，完成了手爪机电系统的组装和联合调试。测试结果表明：该手爪符合设计指标。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章:绪论

1.1本课题研究的目的和意义

1.2手爪的结构设计类型和特点

1.3本课题研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4本课题的研究内容

1.5本课题的关键技术

第二章空间机器人捕获手爪的结构设计

2.1捕获目标参数及手爪设计要求

2.2空间智能机器人捕获手爪结构设计

2.2.1手爪结构设计方案的确定

2.2.2手爪四杆机构分析

2.2.3手爪四杆机构长度参数的设计

2.3空间机器人捕获手爪驱动机构的设计

2.3.1间机器人捕获手爪捕获时静力学分析

2.3.2减速机构的选择

2.3.3电机的选择

2.4空间机器人捕获手爪传动机构设计

2.4.1传动方案的选择

2.4.2齿轮的设计与校核

2.4.3轴设计与校核

2.5空间机器人捕获手爪的材料选择

2.6本章小节

第三章空间机器人捕获手爪的结构仿真

3.1 Pro/E软件及其特点

3.2空间机器人捕获手爪的Pro/E建模

3.2.1零件的设计

3.2.2手爪的虚拟装配

3.3本章小节

第四章空间机器人捕获手爪的运动学动力学分析

4.1空间机器人捕获手爪运动学分析

4.2空间机器人捕获手爪动力学分析

4.3空间机器人捕获手爪ADAMS仿真下动力学研究

4.3.1 ADAMS动力学仿真软件介绍

4.3.2手爪ADAMS下动学仿真与分析

4.4本章小节

第五章空间机器人捕获手爪控制系统的设计

5.1空间机器人捕获手爪的控制方案

5.1.1空间机器人捕获手爪驱动电机的分析

5.1.2空间机器人捕获手爪控制方案的确定

5.2控制系统的硬件设计

5.2.1核心处理器电路的分析与设计

5.2.2电源管理与电源供给方案分析与设计

5.2.3驱动电路的分析与设计

5.2.4 CAN总线通信电路的分析与设计

5.3控制系统的软件设计

5.3.1软件整体设计论述

5.3.2软件各模块介绍

5.4本章小节

第六章空间机器人捕获手爪电模拟器设计

6.1手爪电模拟器的功能

6.2手爪电模拟器的总体设计

6.2.1电联试系统的组成

6.2.2手爪电模拟器控制方式的选取

6.3电机及伺服控制系统的数学建模

6.3.1三相无刷直流电机的数学模型

6.3.2伺服控制系统的总体模型

6.4手爪电模拟器系统的硬件设计

6.4.1核心处理器电路的分析与设计

6.4.2电源管理与电源供给方案设计

6.4.3 CAN总线通信电路的分析与设计

6.5手爪电模拟器系统的软件设计

6.5.1主处理芯片DSP空间分配和中断配置

6.5.2手爪电模拟器程序流程设计

6.5.3手爪电模拟器程序的加载和运行

6.6本章小节

第七章空间机器人捕获手爪电模拟器的性能测试

7.1 CAN总线通信性能的测试

7.2手爪电模拟器的联合调试

7.3本章小节

第八章空间机器人捕获手爪机电系统的联调

8.1手爪机电系统的组装

8.2手爪机电系统的联调

8.3本章小节

第九章总结与展望

参考文献

致谢

研究生期间发表论文