行星采樣機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軌跡規(guī)劃.pdf

1、對(duì)外太空的探索是當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn)，其中行星采樣研究是非常重要的一環(huán)。本文主要研究一種輕量化低功耗行星采樣機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軌跡規(guī)劃，是中國(guó)處在火星探測(cè)計(jì)劃和探月工程大背景下的一次探索性研究。
　　首先根據(jù)任務(wù)需求，確定一個(gè)整體方案，設(shè)計(jì)的采樣機(jī)械臂具有4個(gè)自由度，均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)之間通過空心連桿連接，接著確定各關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的采樣機(jī)械臂可以展成三角形結(jié)構(gòu)充當(dāng)桅桿來支撐導(dǎo)航攝像頭，同時(shí)設(shè)計(jì)一種鎖定裝置確保這種三角形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)

2、定性，該設(shè)計(jì)方案大幅度降低了總體質(zhì)量和能耗。同時(shí)還進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真檢查采樣機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中干涉和碰撞情況，借助有限元軟件分析采樣機(jī)械臂的強(qiáng)度和剛度，分析的結(jié)果表明設(shè)計(jì)符合要求。
　　接著根據(jù)設(shè)計(jì)的采樣機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)建立起運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過D-H參數(shù)法推導(dǎo)出正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)求解采樣機(jī)械臂的工作空間，通過代數(shù)求解法推導(dǎo)出逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，借助Robotics ToolBox工具箱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證其正確性。
　　其次以推導(dǎo)出的

3、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，分析采樣機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃算法。在關(guān)節(jié)空間中分析并仿真三次多項(xiàng)式插值和五次多項(xiàng)式插值軌跡規(guī)劃算法。從仿真的結(jié)果看，三次多項(xiàng)式插值計(jì)算量較小，但是不能保證關(guān)節(jié)角加速度的連續(xù)性；五次多項(xiàng)式插值能夠保證關(guān)節(jié)角加速度的連續(xù)性，但是計(jì)算量比較大。在笛卡爾空間中分析空間直線插補(bǔ)和空間圓弧插補(bǔ)軌跡規(guī)劃算法，并進(jìn)行這兩種插補(bǔ)算法的仿真實(shí)驗(yàn)。
　　然后在Windows平臺(tái)上，借助Visual C++6.0開發(fā)采樣機(jī)械臂三維運(yùn)動(dòng)仿真軟

4、件。首先通過 MFC搭建軟件的整體框架，然后通過 OpenGL繪制采樣機(jī)械臂的三維簡(jiǎn)化模型，最后將運(yùn)動(dòng)學(xué)的正逆解和四種軌跡規(guī)劃算法融入其中。該仿真軟件有效的驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和軌跡規(guī)劃算法的正確性，同時(shí)還能夠直觀顯示軌跡規(guī)劃的仿真動(dòng)畫，為物理樣機(jī)調(diào)試提供了很大的參考。
　　最后對(duì)采樣機(jī)械臂物理樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，首先搭建采樣機(jī)械臂的硬件平臺(tái)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的連線，然后實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真軟件和控制器之間的通信，將仿真求解的數(shù)據(jù)發(fā)送給