面向淺層月壤取樣的小型多自由度柔性機(jī)械臂.pdf

1、月球探索一直是空間科學(xué)研究的熱點(diǎn)，重要性不言而喻。而取樣技術(shù)則是月球探索的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)正在開展的“嫦娥”探月工程就涉及到月壤的取樣和分析工作。但月球表面存在各種嚴(yán)酷的自然環(huán)境，且航天設(shè)備的載重有嚴(yán)格的限制，這些因素要求取樣設(shè)備具有抵抗惡劣環(huán)境影響的能力，且要求取樣器具有體積小、重量輕及功率小的諸多特點(diǎn)。本文主要研究了一種面向淺層月壤原位取樣的多自由度柔性機(jī)械臂，通過柔性桿和剛性桿的組合使用，使得取樣機(jī)械臂具有收縮體積小、工作行程大

2、、功耗低的突出優(yōu)點(diǎn)，研制了配套的電路控制系統(tǒng)，并針對(duì)該種剛?cè)峤Y(jié)合的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，開展了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)控制研究，以及基于改進(jìn)的小型多自由度柔性取樣器的誤差建模和振動(dòng)信號(hào)的原位辨識(shí)等研究工作。
　　首先面向淺層月壤取樣任務(wù)，在原有單自由度單柔性桿的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型剛?cè)峤Y(jié)合的取樣機(jī)械臂，包括剛性臂和柔性臂兩部分，增加了3個(gè)自由度，從而在不丟失原來取樣器體積小、重量輕功耗低的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，增加了工作空間大，取樣區(qū)域可選等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)該

3、套機(jī)械結(jié)構(gòu)，配套設(shè)計(jì)了基于TMS320F28334和LabWindowsCVI上位機(jī)軟件平臺(tái)的電路測(cè)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)電機(jī)電流信號(hào)檢測(cè)和電機(jī)控制、取樣頭振動(dòng)發(fā)生和控制、取樣勺位置控制和信號(hào)采集等功能，且能夠采集取樣頭振動(dòng)信號(hào)并發(fā)送上位機(jī)存儲(chǔ)用作進(jìn)一步分析和辨識(shí)。
　　基于剛?cè)峤Y(jié)合的新穎機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，加入了柔性變形補(bǔ)償方程，提高了運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的精度。在運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)

4、簡(jiǎn)化后的動(dòng)力學(xué)建模。由于取樣臂具有柔性特點(diǎn)，通過對(duì)柔性臂部分進(jìn)行模態(tài)分析來獲得柔性形變特征并將其加入到動(dòng)力學(xué)方程得到最終的動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的合理性。在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用了線性二次型控制模型對(duì)柔性臂部分進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)控制研究，最后得到了理論控制曲線和實(shí)際控制曲線的對(duì)比，驗(yàn)證了控制方法的有效性。
　　在剛?cè)峤Y(jié)合機(jī)械臂的基礎(chǔ)上，突出其體積小的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)。取消了剛性臂部分，替換為一個(gè)兩自由度的取樣平臺(tái)。在保留原有

5、優(yōu)點(diǎn)的條件下進(jìn)一步縮小了取樣器的體積。并通過柔性臂中線沖壓等間隔圓孔的方式來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)齒輪與齒孔的配合，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)柔性臂的動(dòng)作。這種方式提高了驅(qū)動(dòng)的可靠性和下鉆力。本文對(duì)該種機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了誤差建模和分析，考慮了制造誤差、關(guān)節(jié)控制輸入誤差和關(guān)節(jié)空隙誤差，對(duì)各項(xiàng)誤差對(duì)取樣頭的總定位誤差進(jìn)行了分析。
　　由于改進(jìn)的取樣器仍采用了柔性結(jié)構(gòu)，這樣就使采用振動(dòng)方法來提高取樣效率成為可能。不僅如此，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集和分析處理也能夠拓展取樣機(jī)械臂的功

6、能。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、去除信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)、小波濾波、Welch和Burg兩種功率譜分析和K領(lǐng)域算法實(shí)現(xiàn)取樣頭與周圍巖石的接觸辨識(shí)，辨識(shí)成功率達(dá)到94.5％。同樣通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、去除信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)、小波濾波、Welch和周期圖法兩種功率譜分析，支持向量機(jī)的特征關(guān)聯(lián)性驗(yàn)證，以及廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類，實(shí)現(xiàn)對(duì)取樣點(diǎn)月壤容積密度的初步測(cè)量，準(zhǔn)確度達(dá)到了89.22％。
　　論文最后對(duì)研制的原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和性能研究，表明了本文所提方法