月壤采樣試驗(yàn)月面著陸位姿模擬關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、我國(guó)月球探測(cè)第三期工程計(jì)劃在2017年左右發(fā)射探測(cè)器，其主要目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)月球樣品（月壤）的采樣返回。月壤采樣試驗(yàn)是指在地面真實(shí)模擬月面復(fù)雜環(huán)境，模擬不同的著陸位姿，得到鉆采、表采試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)月壤采樣試驗(yàn)對(duì)月面平臺(tái)著陸位姿模擬的要求指標(biāo)，綜合國(guó)內(nèi)外月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)的研究，通過(guò)多方案設(shè)計(jì)對(duì)比分析，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制造了一種基于剛度可調(diào)的月壤采樣試驗(yàn)月面著陸位姿的三自由度大工作空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是由三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)桿伸縮，

2、串聯(lián)恰約束支鏈布置在機(jī)構(gòu)的中間，嚴(yán)格約束動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)位姿方向的位姿模擬；最終通過(guò)三個(gè)驅(qū)動(dòng)桿與中間恰約束支鏈之間鎖緊與松開(kāi)的共同配合實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的剛度可調(diào)。主要研究?jī)?nèi)容如下。
　　月面著陸位姿模擬結(jié)構(gòu)采用具有串聯(lián)恰約束支鏈的三自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過(guò)安裝在動(dòng)平臺(tái)上的鉆取、表取采樣裝置采集數(shù)據(jù)，完成采樣封裝試驗(yàn)。文中根據(jù)月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)模型方案，構(gòu)建出運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解、逆解方程，其純并聯(lián)機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣可采用基于符號(hào)運(yùn)算微分變化式求解，而串聯(lián)

3、恰約束支鏈雅可比矩陣則利用D-H法求解，進(jìn)而得到機(jī)構(gòu)的完整雅可比矩陣。利用雅可比矩陣，研究月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)的奇異性。采用搜索法求解機(jī)構(gòu)的工作空間，滿足月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)的工作空間限制要求，獲得各個(gè)自由度方向工作空間大小。
　　采用虛功原理構(gòu)建月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)典型運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。利用雅可比矩陣微分項(xiàng)構(gòu)建月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)剛度模型，獲得月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)剛度分布情況。對(duì)月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)柔度進(jìn)行分析，

4、得到了機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)剛度模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)靜剛度模型和靈活度剛度模型的剛度分布情況。進(jìn)一步分析機(jī)構(gòu)在不同鎖緊狀態(tài)下的固有頻率，得出恰約束支鏈的鎖緊狀態(tài)與機(jī)構(gòu)剛度間的關(guān)系，結(jié)果表明采用全部鎖緊的方式提高機(jī)構(gòu)的剛度。
　　提出一種以速度性能與可操作度性能為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化方法。根據(jù)影響月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)性能的主要尺寸參數(shù)，以動(dòng)平臺(tái)半徑、定平臺(tái)半徑、速度性能及可操作度性能組成優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，確定尺寸參數(shù)范圍，完成了月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化，滿

5、足月壤采樣試驗(yàn)月面著陸位姿模擬的工作空間要求。
　　提出了基于月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)支鏈的補(bǔ)償方法。利用矢量法構(gòu)建月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)誤差方程，分析各個(gè)誤差源對(duì)精度的影響，提出精度判定指標(biāo)，為精度分析和誤差的補(bǔ)償提供理論基礎(chǔ)。利用激光跟蹤儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行修正，補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)桿桿長(zhǎng)零位初始位置，調(diào)整機(jī)構(gòu)初始位姿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到角度方向0.1°，位移0.1mm，為月壤準(zhǔn)確采樣提供了保障。
　　提

6、出了一種基于機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)誤差和運(yùn)動(dòng)副鉸鏈安裝誤差的機(jī)構(gòu)可靠度求解模型。在研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)可靠度求解方法基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)構(gòu)在三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)可靠度。針對(duì)常用的試驗(yàn)位姿參數(shù)，對(duì)機(jī)構(gòu)可靠度進(jìn)行求解，得到可靠度均在0.99105以上，表明機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)可靠度。
　　最后，構(gòu)建月面著陸位姿模擬機(jī)構(gòu)的測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，建立月壤采樣試驗(yàn)月面著陸位姿模擬控制系統(tǒng)方案，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)試表明，機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)各種單自由度及3自由度耦合運(yùn)動(dòng)，且耦合空間達(dá)20/4