月壤表層采樣機械臂及末端執(zhí)行器運動規(guī)劃與位姿檢測.pdf

1、月壤表采機械臂及末端執(zhí)行器是安裝在著陸器上,進行月壤采樣的必備裝置。其中表采機械臂為四自由度機械臂,由腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)組成,主要對末端執(zhí)行器進行位置及姿態(tài)調(diào)整,以使末端執(zhí)行器能夠完成采樣任務。表采機械臂的整個采樣作業(yè)過程分為折疊展開過程,展開采樣過程,采集樣品轉(zhuǎn)送過程。在整個作業(yè)過程中,機械臂及末端執(zhí)行器不能與月球表面的巖石以及著陸器本體發(fā)生碰撞,并能夠保證末端執(zhí)行器能夠精確地裝入到封轉(zhuǎn)容器中。
　　在已知機械臂基本

2、構(gòu)型的基礎上,通過對機械臂進行運動分析與受力分析,可以得到機械臂沿給定軌跡運動時的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度與關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩。由關(guān)節(jié)角度與關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩可以構(gòu)建能量消耗函數(shù)。能量消耗函數(shù)與全局條件數(shù)、機械臂質(zhì)量函數(shù)、工作空間函數(shù)一起組成了目標函數(shù)。通過遺傳算法對目標函數(shù)取最小值,實現(xiàn)了機械臂大臂桿長與小臂桿長的優(yōu)化。
　　根據(jù)機械臂的避障要求,在展開采樣過程中,應避免機械臂及末端執(zhí)行器與巖石障礙物發(fā)生碰撞,因為無法事先獲知巖石障礙物的位置,所以采用

3、局部路徑規(guī)劃方法中的人工勢場法進行避障路徑規(guī)劃;在采集樣品轉(zhuǎn)送過程中,應避免機械臂及末端執(zhí)行器與著陸器發(fā)生碰撞,因為機械臂基座相對于著陸器是固定的,并且通過機器人運動學,在關(guān)節(jié)運動角度已知的條件下可以獲知機械臂在空間中的位姿,所以采用全局路徑規(guī)劃方法中的A*算法進行避障路徑規(guī)劃。
　　在機械臂軌跡優(yōu)化方面,機械臂應以盡可能短的時間與盡可能少的功耗來完成采樣過程以及樣品轉(zhuǎn)移過程。對運動軌跡上的每一個軌跡點,通過運動學逆解可以得到對應

4、的關(guān)節(jié)角度。對于每一個關(guān)節(jié),采用B樣條曲線連接這些關(guān)節(jié)角度,在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度、角速度、角加速度約束的情況下,運用遺傳算法對B樣條曲線進行優(yōu)化,從而獲得運動時間最優(yōu)的B樣條曲線以及運動時間與能量消耗綜合最優(yōu)的B樣條曲線。
　　運用激光跟蹤儀對ABB工業(yè)機器人的末端位姿進行檢測,并對工業(yè)機器人的運動學參數(shù)進行標定,來提高機器人的絕對定位精度。機器人末端連接尼龍棒,來進行插孔動作,以模擬采集樣品送入收集容器的過程,并得到標定前后,機器人的