月面采样机械臂刚度建模与误差补偿

针对在月面采样任务中,表取采样机械臂受臂杆和关节柔性影响,呈现出低刚度特性导致其控制精度降低的问题,提出了一种基于机械臂柔性变形估计的末端操作误差补偿方法,通过分析关节柔性、臂杆柔性和自重等因素对机械臂末端位姿的联合影响关系,构建了多自由度机械臂的整体刚度模型,进一步通过有限元分析和真实变形对比等方法,对机械臂整体刚度模型的误差计算精度进行评估定界,给出了机械臂在不同构型条件下末端位置估计的误差边界。在此基础上设计了机械臂末端操作的一次性补偿控制方法,可将机械臂末端的最大控制偏差从35mm降低到1mm以内,极大提高了表取采样机械臂模拟系统的绝对定位精度。

地外风化层采样机械臂自主避障控制方法

由于地外天体风化层环境的不确定性,执行浅层钻取采样任务时易受到潜在障碍物的干扰,而对于采样时感知环境并进行机构姿态调整的研究相对较少。为提高采样成功率、改善作业时末端机构受力情况,提出了一种应用于地外风化层采样任务的机械臂自主避障控制方法。设计了能够辅助旋转避障与平移探进的三自由度机械臂,并进行了运动学分析。通过搭载三维力传感器获取采样器受力信息,结合导纳控制与旋转避让进行障碍规避。为验证方法可行性,进行了多组仿真实验和实物实验。实验结果表明,所提出的方法能够有效帮助采样器避让障碍物体,显著减小了作业阻力,X、Y、Z三方向最大受力的改善分别达到46.7%、57.0%、64.9%,改善了常规柔顺方法应用于浅层钻取时易受干扰的不足。

月球采样机械臂系统设计及试验验证

在对月球采样返回任务需求及探测器系统任务剖面进行分析的基础上,设计并研制了一种轻量化、大负载、高精度、宽采样范围月球采样机械臂系统。该系统主要由4自由度机械臂及两种不同采样形式的末端采样器组成,可对不同指定区域浅层月壤进行铲、挖、浅钻等多形式采集。在综合考虑机械臂系统器上布局的基础上,基于运动学模型对采样机械臂的可达采样区域进行仿真分析,提出采样机械臂月面采样策略。基于等尺寸着陆器模拟平台,开展了针对3种不同密实度模拟月壤的采样试验,采样试验结果表明在可达采样空间内,采样机械臂对不同密实度月壤均具有较好的适应性,最大采样深度可达30 mm,最大单次采样量可达270 g,单次采样时间小于2 min。

煤炭采样机械臂的刚柔耦合动力学建模与仿真分析

基于多体动力学理论和拉格朗日方程,将煤炭采样机械臂中的大臂、小臂、伸缩臂考虑为柔性臂,结合Pro/E,ANSYS和ADAMS分别建立刚性和刚柔耦合模型,在相同驱动函数下对两种运动模型进行分析,仿真得出两种模型变化曲线,对比仿真结果表明,在研究臂架系统时,考虑各个臂杆柔性变形是非常必要的,刚柔耦合建模更符合工程实际,所得到的研究结果为采样臂动力学分析和结构优化奠定了理论基础。

采样机械臂关节月表环境适应性设计

文章针对月球表面采样任务对机械臂关节防尘、耐高低温和轻量化的特殊要求,提出一种由永磁同步电机驱动、2K-H行星减速器+谐波减速器传动的关节设计方案。该方案采用电机的齿槽转矩提供关节制动力矩,并采用前馈力矩补偿控制的方法消除齿槽转矩引起的速度波动,节省了制动器的配置;通过控制减速器传动侧隙、电机定子与壳体的过盈量及密封垫片厚度,实现关节在-100~160℃高低温环境的热匹配和防尘。仿真分析和样机试验结果验证了关节设计方案可满足月表采样的月面特殊环境要求。

煤炭采样机械臂刚柔耦合动力学建模与仿真分析

根据实际应用场景及动力学理论,可以将煤炭采样机械臂看做柔性臂,并且使用仿真软件ANSYS、ADAMS以及Pro/E综合建立刚柔耦合动力学模型和刚性模型,分别对2种模型进行仿真研究,并且对比仿真结果。研究表明,对煤炭采样机械臂来说,刚柔耦合模型更符合实际情况,本研究为未来对机械臂的分析与结构优化提供理论参考。

基于挖掘力模型的采样机械臂运动位姿节能控制研究

为了降低采样机械臂在挖掘土壤过程中能量损失,延长其工作时长,设计了可操纵性椭球模型和能量评价指标函数。通过仿真检验机械臂能量消耗,创建了采样机械臂运动位姿的可操作性椭球模型,给出了机械臂运动过程中的能量评价指标函数。对采样机械臂挖斗进行受力分析,给出了挖斗不同表面的受力方程式,设计了采样机械臂主动控制方法。在机械臂不同运动位姿状态下,采用Matlab软件对采样机械臂能量消耗进行仿真。结果显示:在无可操纵性椭球模型条件下,采样机械臂运动位姿较差,单位连杆长度受力较大,导致机械臂消耗的能量较多;在有可操纵性椭球模型条件下,采样机械臂运动位姿较优,单位连杆长度受力较小,导致机械臂消耗的能量较少。在同等条件下,随着采样机械臂挖斗的采样点不同,机械臂消耗的能量也不同。采样点越远,机械臂消耗的能量也越多,能够工作的时长也越短。采样机械臂挖斗采用可操纵性椭球模型,能够降低机械臂的能量损失,延长机械臂工作时长。

行星采样机械臂的轨迹规划研究

为行星采样机械臂做轨迹规划,先根据D⁃H法建立机械臂的运动学模型,对其进行了笛卡尔空间直线插补和圆弧插补两种轨迹的规划,并在Matlab中进行了运动仿真。然后基于MFC和OpenGL设计一种针对采样机械臂的运动仿真程序。最后结合一种运动控制器进行直线插补和圆弧插补的轨迹规划的实验。实验结果表明,采样机械臂的实际运动轨迹与运动仿真程序中的轨迹一致,对其进行的正、逆运动学分析和轨迹规划是正确的,为行星采样机械臂的轨迹设计和分析提供了参考依据。

煤炭采样机械臂传动系统优化设计及分析

以某煤炭采样机械臂为研究对象,对其传动系统进行优化设计和分析,建立机械臂传动系统优化模型,并用Matlab和ADAMS进行联合仿真。通过优化后,机械臂质量下降明显;机械臂各关节力矩波动明显减小,提高了机械臂传动系统的平稳性。

轻质采样机械臂设计与分析

土壤采样机械臂是深空着落探测器进行采样探测的必要机构。根据深空探测的环境要求,设计出满足结构强度的高可靠性的轻质机械采样臂,采用一个旋转关节和两个移动关节组成三自由度方案。对移动关节和旋转关节进行设计,对采样加热组件进行设计。对采样机械臂系统作运动学分析,采用D-H法建立系统运动模型,设置各关节坐标系,推导出各坐标系之间的坐标变换矩阵以及坐标向量矩阵,得到运动学正解和运动学逆解方程,为后续的分析及研究做准备。

轻量化行星采样机械臂虚拟样机系统

针对行星探测车采样机械臂开发效率低及成本高的问题,采用虚拟样机技术,对探测车采样机械臂的结构、功能、功耗及控制系统等方面进行了研究,提出了一种轻量化、低功耗、多功能四自由度采样机械臂的设计方案,确定了各关节的驱动方案,并对驱动部件进行选型。基于SolidWorks软件,实现三维模型的建立,并利用ADAMS软件,建立采样机械臂动力学模型。应用D-H法建立采样机械臂关节坐标并确定连杆参数,求解正、逆运动学公式,采用三次多项式方法对关节空间进行轨迹规划。利用ADAMS和Matlab搭建虚拟样机联合仿真系统,进行联合仿真实验。仿真结果表明,该采样机械臂设计方案合理,达到轻量化、低功耗目的,控制系统稳定可靠,能够实现支起、收回、采样等功能。

基于工作区域划分定位法的煤炭采样机械臂逆运动学分析

为了实现对煤炭采样机械臂的精确控制,对采样机械臂的逆解结果进行了择优确定。通过运动学逆解求得逆解组,并采用工作区域划分定位法,在划分好的工作区域内定位出所属区域,根据所属区域内各连杆的运动范围,确定出在少移动大关节,多移动小关节的择优原则下的运动学逆解的最优解,并通过随机选择采样机械臂的工况下的目标位姿,将目标位姿和逆解结果产生的位姿进行了对比,其误差完全符合工作需求,验证了该方法的正确性。得到了各关节运动量,实现了采样机械臂末端执行器的精确定位。

月面采样机械臂采样位形分析与优选

在月面采样任务中,受土壤反作用力、能耗等因素影响,机械臂采样位形会影响其采样性能.为了准确评估采样位形对采样性能的影响,提高采样任务执行的可靠性,提出了机械臂采样位形分析方法与优选策略.首先,分析机械臂与采样器、采样器与铲挖执行机构之间的耦合关系,建立机械臂与采样器的联合动力学模型;其次,分析采样过程中机械臂位形与土壤反作用力、机械臂末端抗偏移能力、关节运动行程以及运动能耗之间的关系,并构建量化指标对采样性能进行评估;进而,根据构建的采样性能评价指标,构建考虑采样点区域、关节轨迹等多种约束的多目标最优化问题框架,设计基于NSGA-2多目标遗传算法的采样位形优选策略;最后,以嫦娥五号采样机械臂为对象进行实验分析.实验结果验证了本文提出的采样位形分析方法与优选策略的有效性,相关结论为嫦娥五号采样机械臂实际采样指令的生成提供了参考依据.

基于智能制造系统的轻量化机械臂及其控制系统设计

智能制造系统中单元化空间的优化愈发受到重视,尤其是大批量小零件制造系统中,多功能机械臂作为智能制造系统工作单元的重要组成部分,其结构合理和较少功耗是整个智能制造系统的内在要求。文章提出一种轻量化、低功耗、结构紧凑、可靠性高的四自由度挖掘机械臂,作为多功能机械臂运用的一种典型工况,运用D-H方法建立机械臂正、逆运动学公式。根据智能制造单元任务,设计一种主动位置控制和动态摩擦补偿控制策略。制作简化关节结构的物理样机,搭建机械臂的软、硬件系统,对机械臂进行智能制造系统中物料流的挖掘采集和传送测试,并对其质量、功耗等各项指标进行验证。

月面采样机械臂动态任务规划方法研究

由于月面着陆姿态、工作环境和机械臂变形等多种不确定因素影响,月面采样机械臂的任务规划结果无法事先准确确定,对月面采样机械臂的表取采样任务规划系统的准确性、实时性和灵活性提出了较高的要求.为保证有限时间内灵活准确地进行月面采样作业任务规划,本文提出了月面采样机械臂的动态任务规划方法,设计了包括任务整体规划、采样策略规划和运动控制规划在内的三层规划体系,将复杂月面采样作业任务规划问题分解为空间约束、时序推理和运动控制三个维度分别求解.在此基础上,提出了基于改进Allen模型的时态规划方法和基于最短实时避障路径的运动规划方法,实现对采样任务过程与操作路径的动态灵活调整与快速高效规划.最后,通过机械臂月面采样过程的规划实例,对本文方法进行了验证.结果表明,本文提出的动态任务规划方法满足了月面采样机械臂任务规划的需求,为月面采样任务提供了可靠的理论支持.

基于LQR的采样机械臂的最优控制研究及仿真

针对机械臂是一个十分复杂的多输入,多输出的非线性系统,且需要其具有较高的轨迹跟踪精度.本文对实验室行星采样机械臂样机进行动力学建模,并使用线性二次型最优调节器（linear quadratic regulator）方法提出了一种用于机械臂轨迹跟踪的最优控制方法,使机械臂跟踪误差保持渐近稳定.且分别在Matlab/Simulink中构建基于传统PD控制器和最优控制器的系统仿真模型,对仿真结果进行对比分析.结果表明：基于LQR方法推导的最优控制器相较于传统PD控制器能获得更好的轨迹跟踪精度,验证了其有效性.

机械臂角度传感器的电路设计与信号处理

针对月面采样机械臂中的角度传感器——旋转变压器,设计了数字解码电路。为解决电路中数字解码芯片AU6802N1的不足,提出一种可直接给出当前位置相对参考位置的角度解算方法。详细介绍了数字解码电路和角度解算方法的实现过程。通过机械臂腕关节的角度检测试验,验证了电路设计的合理性及角度转换方法的可行性。

基于刚柔耦合模型采样臂动态仿真研究

基于多体动力学理论和拉格朗日方程,将煤炭采样机械臂中的大臂、小臂、伸缩臂考虑为柔性臂,结合Pro/E、ANSYS和ADAMS建立刚柔耦合模型,各个机构在单独动作或者联动过程中,对采样机械臂结构件应力分布进行观察,对应力较高的部位进行补强和完善,所得到的研究结果为采样臂结构优化和疲劳寿命奠定了理论基础。

到外星去“挖土”,人工和机器谁更强

在人类五花八门的外星“挖土”活动中,有的采用了人工采集,比如,半个世纪前,美国通过阿波罗计划,通过宇航员采集,从月球带回了共计约380千克的月岩样品。有的则采用了无人采集。比如,2020年10月20日,美国冥王号探测器使用采样机械臂末端的采样器,从贝努小行星表面采集了60克以上的风化层样品,计划在2023年9月将采样返回舱送回地球。

嫦娥五号月面采样遥操作中的关键技术

2020年12月17日,嫦娥五号返回器成功返回地面着陆,获取1731 g月壤样品,这标志我国探测工程"绕落回"三步走战略圆满收官.月面采样是采样返回任务的核心环节,是我国首次在月球表面实施的复杂操控类任务.月面采样包括岩心钻探取样和月壤表取采样任务两个部分,受制于月面采样任务的复杂性和探测器自主能力的局限性,采样工作在地面遥操作中心的监视、引导与控制下开展.本文在对嫦娥五号月面采样的难点进行分析的基础上,将月面采样遥操作关键技术归纳为采样任务规划、多特征融合视觉定位、机械臂采样最优构型设计和采样虚拟仿真四个方面,并对四个方面技术的发展与研究现状进行综述,结合嫦娥五号任务特点,阐述了四项技术的主要实现途径及其创新性应用特点,分析了各种技术在月面采样任务实施中的关键性支撑作用,评述了其未来发展潜力和应用前景,对我国后续地外天体表面采样任务的实施和遥操作模式的设计具有重要的指导意义.