空間自定位機械臂末端執(zhí)行器及其捕獲與鎖緊的研究.pdf

1、自定位機械臂不受自身長度和一端永久固定的限制，能將機械臂的操作范圍和空間工作體積遍及整個空間艙段的外部，更好的適應我國未來空間站建設與日常維護。自定位機械臂的兩端配備相同的末端執(zhí)行器?，F(xiàn)有空間自定位機械臂的末端執(zhí)行器不能同時實現(xiàn)大捕獲容差、中心機械動力輸出與機構集成。附加功能需額外設備，限制機械臂的在軌服務能力。因此，研究具備這種功能的末端執(zhí)行器以及提出一種針對典型ORU更換任務的柔順操作方法對我國空間機器人技術的發(fā)展有很好的促進作用。

2、
　　針對大捕獲容差與中心機械動力輸出不能同時實現(xiàn)，提出三根手指抓捕三葉狀接口的捕獲方案，并建立捕獲機構。建立手指與捕獲機構兩者驅動力之間的函數關系，得到拖動形式與機構。針對現(xiàn)有機構死點或偏心鎖緊的不足和系統(tǒng)的誤差、變形吸收要求，提出一種柔性單元鎖緊方案。針對大捕獲容差與機構集成不能同時實現(xiàn)，提出捕獲與鎖緊功能性獨立、機構簡化的設計準則，依據準則建立機構、捕獲順序、功能和手指軌跡之間的對應關系，依據對應關系提出一種捕獲手指在完成捕

3、獲后拖動捕獲接口收縮的過程中與靜止的鎖緊機構形成聯(lián)動——中程聯(lián)動的方法實現(xiàn)準則，并建立一種鉤-軸聯(lián)動方式和機構，最后采用反推法從聯(lián)動集成的角度得到鎖緊機構。依據功能與結構的對應關系，得到捕獲接口的具體結構。
　　根據捕獲方案，重新定義捕獲容差。針對位置容差變量獨立、角度容差變量耦合，提出單維與全維相結合的分析方法和容差分析的四條標準。建立嚙合面內與軸向四個單維容差變量分析的數學模型，得到單維容差的范圍。針對偏航和俯仰旋轉導致捕獲特

4、征空間運動不一致，采用捕獲手平面與嚙合底板邊線的旋轉軌跡相交將邊界點約束在平面內，并與捕獲手指的平面抓捕區(qū)域邊界相比較的方法，建立角度容差變量分析的數學模型，得到角度容差的范圍。單維容差分析的數學模型為全維容差分析提供理論依據。針對后者，提出三視圖法分析全維容差變量變化的邊界約束條件。建立捕獲特征空間邊界點的旋轉坐標變換和變換后三視圖投影的數學模型。嚙合面上，采用斜率比較和長方形區(qū)域約束兩種方法得到平面內的全維容差變化范圍的邊界約束條件

5、的數學模型；捕獲手指平面及其過末端執(zhí)行器軸線的法向平面上，采用單維軸向位置容差范圍與標準三分析得到軸面內的全維容差變化范圍的邊界約束條件的數學模型。仿真結果表明模型的捕獲容差滿足要求。
　　建立捕獲與鎖緊過程同手指軌跡之間的對應關系，結果表明過程與捕獲接口的初始位姿無關。建立捕獲過程分析的數學模型，得到捕獲、拖動和中程聯(lián)動三個階段的捕獲接口、捕獲手指和鎖緊機構之間的聯(lián)動關系表達式。為使中程聯(lián)動成功，建立聯(lián)動捕獲、聯(lián)動機構確定的約束

6、關系和機構間的運動關系模型。建立鎖緊過程分析的數學模型，得到鎖緊手指捕獲、驅動捕獲接口分離的約束關系和鎖緊過程中的聯(lián)動關系表達式。建立捕獲力、鎖緊力與捕獲接口作用力之間的關系表達式，得到捕獲與鎖緊功能性獨立的理論證明。利用分形理論和虛擬材料理論建立鎖緊狀態(tài)下嚙合面的剛度特性模型。建立釋放過程分析的數學模型，得到安全釋放條件。仿真結果表明捕獲與鎖緊過程的數學模型為末端執(zhí)行器的捕獲操作分析提供了理論依據。
　　繼樣機的環(huán)境適應性、剛度

7、等性能測試滿足要求之后，捕獲容差在由兩臺工業(yè)機械臂組成的系統(tǒng)平臺上測量，結果顯示樣機的容差范圍滿足要求。末端執(zhí)行器的自定位捕獲與有效載荷捕獲在氣浮平臺上測試，結果表明中程聯(lián)動能明確區(qū)分捕獲與鎖緊過程，實現(xiàn)兩者功能性獨立。在樣機性能測試的基礎上，執(zhí)行ORU更換在軌模擬實驗。確立ORU更換過程中的接觸狀態(tài)為非共形接觸和共形接觸，分別建立基于Hertz理論和Winkler彈性地基理論的兩類順從接觸模型，由此提出基于接觸動力學管理策略的ORU更