面向淺層月壤取樣的小型多自由度柔性機械臂.pdf

1、月球探索一直是空間科學(xué)研究的熱點，重要性不言而喻。而取樣技術(shù)則是月球探索的一項關(guān)鍵技術(shù)。我國正在開展的“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。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械臂，通過柔性桿和剛性桿的組合使用，使得取樣機械臂具有收縮體積小、工作行程大

2、、功耗低的突出優(yōu)點，研制了配套的電路控制系統(tǒng)，并針對該種剛?cè)峤Y(jié)合的機械臂結(jié)構(gòu)，開展了運動學(xué)分析和動力學(xué)控制研究，以及基于改進的小型多自由度柔性取樣器的誤差建模和振動信號的原位辨識等研究工作。
　　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)計了一種新型剛?cè)峤Y(jié)合的取樣機械臂，包括剛性臂和柔性臂兩部分，增加了3個自由度，從而在不丟失原來取樣器體積小、重量輕功耗低的優(yōu)點基礎(chǔ)上，增加了工作空間大，取樣區(qū)域可選等優(yōu)點。針對該

3、套機械結(jié)構(gòu)，配套設(shè)計了基于TMS320F28334和LabWindowsCVI上位機軟件平臺的電路測控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對機械臂的各關(guān)節(jié)電機電流信號檢測和電機控制、取樣頭振動發(fā)生和控制、取樣勺位置控制和信號采集等功能，且能夠采集取樣頭振動信號并發(fā)送上位機存儲用作進一步分析和辨識。
　　基于剛?cè)峤Y(jié)合的新穎機械臂結(jié)構(gòu)，對其進行了運動學(xué)研究，加入了柔性變形補償方程，提高了運動學(xué)控制的精度。在運動學(xué)方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際需求對機械臂進行了結(jié)構(gòu)

4、簡化后的動力學(xué)建模。由于取樣臂具有柔性特點，通過對柔性臂部分進行模態(tài)分析來獲得柔性形變特征并將其加入到動力學(xué)方程得到最終的動力學(xué)模型，驗證了動力學(xué)模型的合理性。在動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用了線性二次型控制模型對柔性臂部分進行了動力學(xué)控制研究，最后得到了理論控制曲線和實際控制曲線的對比，驗證了控制方法的有效性。
　　在剛?cè)峤Y(jié)合機械臂的基礎(chǔ)上，突出其體積小的優(yōu)點，改進了機械結(jié)構(gòu)。取消了剛性臂部分，替換為一個兩自由度的取樣平臺。在保留原有

5、優(yōu)點的條件下進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現(xiàn)驅(qū)動齒輪與齒孔的配合，進而驅(qū)動柔性臂的動作。這種方式提高了驅(qū)動的可靠性和下鉆力。本文對該種機械結(jié)構(gòu)進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，對各項誤差對取樣頭的總定位誤差進行了分析。
　　由于改進的取樣器仍采用了柔性結(jié)構(gòu)，這樣就使采用振動方法來提高取樣效率成為可能。不僅如此，對振動信號的采集和分析處理也能夠拓展取樣機械臂的功

6、能。通過對振動信號的采集、去除信號趨勢項、小波濾波、Welch和Burg兩種功率譜分析和K領(lǐng)域算法實現(xiàn)取樣頭與周圍巖石的接觸辨識，辨識成功率達到94.5％。同樣通過對振動信號的采集、去除信號趨勢項、小波濾波、Welch和周期圖法兩種功率譜分析，支持向量機的特征關(guān)聯(lián)性驗證，以及廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類，實現(xiàn)對取樣點月壤容積密度的初步測量，準(zhǔn)確度達到了89.22％。
　　論文最后對研制的原理樣機進行了實驗驗證和性能研究，表明了本文所提方法