面向空间应用的3-R(SRS)RP多环机构操作臂结构设计及逆运动学分析

针对空间在轨操作任务需求,为了得到高刚度、高强度、多活动度和大工作空间的操作臂,将多个3-R(SRS)RP多环机构模块串联组成多环机构操作臂。基于多环机构构型,提出一种空间操作臂整机结构设计方案:包含SRS复合铰链结构设计、多环机构模块结构设计、多环机构系统结构设计。SRS复合铰链的结构设计是基于一种改进的球副机构展开,该球副构型可复合双球副及额外转动副,且所有运动轴线相交于一点,提高了运动精度并简化了运动学模型。模块及系统结构设计主要表现在多环机构模块之间的连接平台和连接杆件的结构规划,以保证动、静平台上转动副轴线重合,满足折展和弯曲等运动需求,并解决了运动链耦合时的结构干涉问题。此外,建立了多环机构模块及系统的逆运动学模型,并进行了逆运动学分析。通过数值求解其工作空间发现,三模块操作臂在工作空间即可实现大的可达工作空间及弯曲角度。这一结论为后续样机的研制提供了理论基础。

一种新型球副机构的设计及分析

提出一种新型球副机构,即1S机构。该机构由两个转动副和一个等效转动副组成,其运动功能等效为球副。1S机构可通过其变种构型增强刚度和增大运动角度。同时,以1S机构为基础,可构建N-S复合球副机构;与其他运动副进行复合,如移动副、额外的转动副等,可构建X-S机构。在复合铰链中,所有的运动副:(a)均具备相对独立的运动,(b)运动轴线均相交于一点,(c)理论上可包含无数个球副。为验证1S机构的刚度和运动精度,文中建立了其刚度模型、运动学模型、考虑刚度影响的修正的运动学模型以及运动精度模型。通过数值案例分析及仿真验证,表明该球副机构具备足够的刚度和运动精度。新型球副机构的应用之一则是用于3-R(SRS)RP多环机构中的SRS复合铰链,该铰链是基于X-S机构设计且具备7个自由度的运动链,使多环机构可以实现其运动功能。