空间机械臂机电一体化关节的设计与控制

1郑州理工职业学院毕业设计（论文）题目：空间机械臂机电一体化关节的设计与控制学号：XXXX姓名：XXX专业班级：XXXXXXX指导老师：20xx年xx月xx日机械手、高标准精度运动机械臂,随着当前我国航空科学技术研究和工程技术理论基础的不断进步，空间站上关节臂和子系统的结构设计技术理念将不断得到进一步的研究拓展和不断完善。参考文献[1]黄庆会.空间机械臂机电一体化关节控制设计探究[J].科技风,2019(25):155.D01:10.19392/ki.1671-7341.201925139.[2]吴世楠.七自由度冗余操控臂的结构设计及其实验研究[D].哈尔滨工业大学，2019.DOT:10.27061/ki.ghgdu.2019.004537.[3]刘守琦.浅析空间机械臂机电一体化关节的设计与控制[J].东西南北,2019(06):164.[4]杨永.空间机械臂减速机构故障诊断方法研究[D].江苏大学,2018.[5]牛晓玲.空间机械臂机电一体化关节控制设计探讨[J].机械设计与制造工程，2017,46(07):46-49.[6]李敏.空间机械臂机电一体化关节控制设计及应用[J].世界有色金属，2017(08):230+232.[7]吕晓军.空间机械臂机电一体化关节的设计及控制[J].现代制造技术与装备,2016(11):29+31.D01:10.16107/ki.mmte.2016.0922.致谢经过了两个多月的努力，我最后完成了论文的写作。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。我的这个这次论文教学研究我的作品不是很成熟,还有很多不足之处。但是这次自己努力做一个优秀论文的这次研究经历真的能够帮助使我自己可以得到终身深刻的的受益。我切身感受和感觉看到了真正要自己做一个好的论文教学研究也就是我们自己要真真正正的要用心用意识的去努力所要做的一件件好做的事情，是真正的自己不断努力学习的一个起步过程和自己教学研究的一个进步过程，没有自己努力学习就不会很难有可能不断的具有一个论文教学研究的巨大发展潜力，没有自己的努力进行研究，就不会真的能够不断有所突破，那也就不会很可能这么叫做自己做一个论文了。我也非常期望这次的这个论文研究经历能够有很多可能真的能够帮助让我在以后我的论文学习中我也能够得到激励我们并能够继续不断进步。空间机械臂机电一体化关节的设计与控制摘要：空间站机械臂系统是空间站作为非常关重的组成部分，一般把机械臂列为空间站关键技术之一。课题以机械臂研制技术要求和系统功能配置方案需求为基础，重点研究机械臂关节设计与控制问题。空间站机械臂系统由核心舱机械臂、实验舱内部运动机械臂、两臂关节部分共同组成，尽管两臂部分执行不同任务基本功能控制需求各自之间具有很大功能差异，但是两臂执行基本功能需求组成相同，各由7个大型运动大臂关节、2个小型运动关节臂杆、2个运动大臂的最末端一个运动关节效应器以及一个用于视觉上的运动关节控制技术系统部分组成。一体化控制模块化自动关节控制作为整个空间专用机械臂的重要功能组成的一部分，其功能集成度与机械智能化应用程度直接相联关系着整个空间专用机械臂自动控制的精确度和程度，这些也是国内空间专用机器人技术领域一直都在努力研究的热点课题。目前国内虽然在开展空间专用机械臂控制关节的设计研制应用方面已经做了很多研究工作，但均仍然停留在临床实验室研究阶段。根据大型空间站整体建设的实际任务以及需求,在大型空间站的整体搭建与日常维护等诸多大型空间使用活动中，都非常离不开新型空间专用机械臂的共同参与,因此我们有必要积极开展新型空间专用机械臂活动关节的应用相关技术研究，为未来实验舱机械臂提供一种高智能化程度、高集成度、高可靠性、结构紧凑且能适应空间环境的空间机械臂关节。关键词：空间站，机械臂，关节，控制DesignandcontrolofMmechanicaljointAbstract:Thespacestationroboticarmsystemisaverycriticalcomponentofthespacestation,generallylistingthemechanicalarmasoneofthekeytechnologiesofthespacestation.Basedonthetechnicalrequirementsandsystemfunctionconfigurationrequirements,theprojectfocusesonmechanicalarmjointdesignandcontrol.Spacestationroboticarmsystemconsistsofcoremodulearm,experimentalchamberinternalmovementarm,twoarmjoint,althoughthearmsperformdifferenttasksbasicfunctioncontrolneedshavegreatfunctionaldifferences,butthetwoarmsperformbasicfunctionrequirementsofthesame,eachconsistsofsevenlargemotorjoint,2smallmovementjointarm,twomovementarmendofamotorjointeffectorandavisualmotionjointcontroltechnologysystem.Integratedcontrolmodularautomaticjointcontrolaspartoftheimportantfunctionoftheentirespacespecialmechanicalarm,itsfunctionintegrationandmechanicalintelligentapplicationdegreeisdirectlyrelatedtotheprecisionanddegreeofautomaticcontrol,thesearethedomesticspacespecialrobottechnologyhasbeentryingtostudythehottopic.Atpresent,althoughalotofresearchworkhasbeendoneinthedesign,developmentandapplicationofspacespecialmechanicalarmcontroljoint,theyarestillintheclinicallaboratoryresearchstage.Accordingtotheactualtaskandrequirementsoflargespacestationconstruction,intheoverallconstructionoflargespacestationanddailymaintenanceandmanyotherlargespaceuseactivities,areveryinseparablefromthenewspacespecialmechanicalarmjointparticipation,soitisnecessarytoactivelycarryoutthenewspacespecialmechanicalarmjointapplicationtechnologyresearch,providefuturelaboratoryarmwithahighintelligentdegree,highintegration,highreliability,compactstructureandcanadapttospacemechanicalarmjoint.Keywords:Spacestation,roboticarmjoints,control错误!未定义书签。11错误!未定义书签。1课题的目的及意义2错误!未定义书签。..错误!未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z国内外研究现状2错误!未定义书签。..错误!未定义书签。设计主要内容及安排.・・.2、机电一体化关节总体方案2.1空间机械臂方案及组成..2.2功能需求分析22.3关节总体方案3\o"CurrentDocument"3、关节控制研究33.1机械臂控制结构43.2机械臂操作控制流程43.3关节控制模式43.4关节控制方法4\o"CurrentDocument"4、总结5参考文献6致谢71、绪论L1课题的目的及意义随着世界航天事业迅速发展，对太空的探索不断深入，未来将有大量的空间任务需要人类来完成，如空间站的建造、空间设备的维护、科学实验载荷的照料等。由于太空环境的特殊性和目前科技水平的限制，这些任务尚不能全靠宇航员来完成。空间机械臂具有适应微重力、高低温交变、高辐射等太空环境的作业能力，采用空间机械臂协助或代替宇航员完成一些太空作业任务，在经济性和安全性方面都具有重要的意义，已经成为空间技术研究领域内的一个重要的研究方向。随着载人航天工程的发展，大型空间站建设己经提上工作日程。而空间机械臂是空间站建造的重要组成部分，是实现空间站在轨组装和在轨维护的关键设备之01.2国内外研究现状国外研究现状空间站其它舱段自动遥控发射控制自动机械臂发射系统通常简称称为ssrms,又称加拿大臂2。ssrms遥控系统主要是泛泛指在s和mss两个遥控系统中最先将其先从发射台推出并然后安装至整个新的国际轨道一号站和空间站的。其主要工作技术点和功能内容包括主要有:帮助支持一个空间站遥控设备在国际轨道的快速组装、有效载荷及在。orus的停泊操作、支持一位美国航天员在eeeevav的身体活动运行方式如何及快速移送其它一位航天员至他们的所期望轨道中的正确位置。ssrms还功能可以同时用于帮助支持其它舱段遥控发射解除安装时的快速转移停泊和其它舱段发射解除时的快速停泊，以及与其它舱段遥控控制机械臂间在需要进行安装有效载荷的遥控机械臂间需要进行快速转移时的停泊操作。在一个发射台上安装一个新的spdm后,ssrms还功能可以同时用于帮助支持spdm成员进行正确定位至他们需要进行工作时的正确位置。国内研究现状国内的空间机械臂关节方案主要有805所的月球车机械臂关节、哈工大的XX-4机械臂关节、北邮的机械臂原型关节等。月球车上的移动机械臂作为驱动电机关节的主要姿态运动保持功能之一也就是实现可以同时执行3个不同运动自由度的不同运动角度定向姿态转动和固定臂部位置定向姿态运动保持，从而使得可以同时实现移动月球车上机械臂的臂部前端定向展开和固定臂部后端收拢位置运动保持功能、定位移动位置姿态保持等等运动功能。该车的机械驱动关节由直流电机驱动关节无刷电机、谐波电流驱动关节减速器、旋转电流驱动关节变压器、轴承等部分共同构成。为了有效地地减轻每个机械驱动关节的最大运动量和重量，机械臂驱动关节无刷电机驱动结构设计采用三轴式的分体式驱动结构设计，电机的两个驱动定子与直流驱动电机关节共用一个驱动壳体,转子的两个主轴即为直流驱动电机关节的直流换向保护传动轴，并共用一个驱动关节轴承。直流电机驱动关节无刷电机通过直接利用•个放置于直流驱动无刷电机内部的霍尔传感式元器件系统来驱动实现直流驱动电机换向，具有驱动电机直流驱动关节换向保护能力强，体积小、重量轻,过载安全保护驱动能力强等主要运动特点。L3设计主要内容及安排本课题技术关键课题基础研究中所涉及的电动控制关节主要就是应用于当前我国大型空间站用的专用大型机械臂，研究的关犍技术课题总体目标主要任务是尽快研究突破当前我国大型空间站用圆形机械臂大型机电设备专用一体化电动控制关节功能设计的一些重要关键技术和功能设计应用难点，研制出能满足当前我国大型空间站用大型机械臂各种功能设计应用需求的大型高强度运动负载、高精度运动控制精度、可以作用于零件维修、易于作用于零件更换的新型专用全尺寸机电专用机械设备一体化电动控制关节。目前空间机械臂关节主要存在的技术难点有：(1)关节驱动/传动/制动机构与电气控制系统分别独立设计，造成关节机构与控制系统间接线复杂，系统集成度与可靠性低；(2)为满足机械臂末端操作需求，关节需要有较高的控制精度；(3)空间机械臂关节中由于采用了谐波减速器、力矩传感器等柔性元件，使得机械臂运动过程中受到外力干扰及停止时，将会引起机械臂的振动，必须研究相应的挠性振动抑制算法。针对上述两个重点研究问题，本重点研究课题的相关技术基础研究以及重点工作内容主要包括为:重点研究突破开展采用控制体积小、质量轻、精度高、负载大的各类专用机械空间站和专用机械臂以及专用站等关节的机电复合振动设计一体化控制功能以及集成抑制振动系统设计技术控制相关技术，为今后实现专用空间站相关专用站和机械臂的精确集成振动设计控制打下基础；2、机电一体化关节总体方案空间机械臂方案及组成空间站实验舱机械臂主要由关节及驱动控制子系统、结构与机构子系统、末端效应器子系统、视觉子系统、移动基座子系统、末端作业工具子系统、在轨操作控制子系统、地面遥操作控制平台共8部分构成。关节及驱动控制子系统由7个关节及其驱动控制器组成，7个关节分别安装在机械臂的肩部、肘部与腕部，分别为肩滚转、肩偏航、肩俯仰、肘俯仰、腕俯仰、腕偏航、腕滚转关节。这些关节与臂杆和末端效应器连接，通过关节的旋转实现机械臂三维空间运动。2功能需求分析.1系统的任务目标：(1)协助我国空间站的建造、维护、等基础任务的完成(2)为航天员提供援助以增强其行动能力和安全性，减少其出舱次数；(3)最大限度降低航天员作业风险，进行环境的安全检查；通过对带动机械臂关节总体运动任务性的需求和功能分析，机械臂带动关节子控制系统主要具有控制关节旋转速度、位置、力闭环控制三种功能，可实现一定机械负载和工作精度条件要求下的关节旋转方向运动,是整个机械臂的一个主体运动部分,完成带动机械臂的多方向自由度旋转运动；同时关节还系统可自动完成没有断电保护情况下的通电制动。2.2.2关节主要功能：(1)为机械臂提供操作负载与驱动能力；(2)为机械臂提供紧急制动功能，以及结构保护和运动角度限制等功能；(3)实现机械臂的高精度测量和控制；(4)实现机械臂与中央控制系统间的信息交互功能；(5)关节局部损坏或功能失效时，提供方便的在轨拆卸安装接口；3关节总体方案因为机电结合一体化驱动关节系统需要同时实现动力传动、制动、驱动、驱动过程控制、温度检测信号自动采集、位置和速度运动响应速度调节控制器的信号必须具有信息采集和进行数据通讯等多种重要技术功能,，同时关节的重要和体积也受到严格的限制，因此在设计过程中要克服在满足功能要求的前提下尽可能的小型化、轻量化特点，并要求关节具备足够的环境适应性和可靠性。为了克服这些难点，机电一体化关节的集成设计步骤主要包括如下几步：(1)以调研为基础，确定机电一体化关节的整体设计方案，主要包括零部件和传感器的选型、中心孔走线以及冗余设计方案等；(2)首先根据实际的功能要求和性能参数分配零件的性能指标，要仔细核对关节内所有位置零部件的尺寸和接口；(3)进行关节内部结构和电气控制硬件的设计；(4)设计关节的控制算法,并编写相应的控制软件；(5)完成关节结构和相应软件的生产后，要对关节的性能和功能进行测试。3、关节控制研究机械臂控制系统的主要任务是完成机械臂的运动控制，针对特定的操作任务设计机械臂的运动轨迹，其次根据制定的运动轨迹，控制机械臂平稳准确地到达目标位姿，并根据任务需要完成机械臂末端执行器的抓捕、释放等操作。因此，机械臂应具有的主要运动控制功能包括:路径规划功能、力控制功能、支持手动控制功能。机械臂控制结构机械臂是一个6自由度位姿输入和7自由度关节输出的多输入多输出系统,是一个复杂的串联动力学系统。空间站点机械臂系统具有较为轻质和高柔性的机械本体运动特性,为了有效避免振动引起空间机械臂较大的径向振动以及大大减小对于整个空间站点和基座的外力扰动,保证机械运行控制过程的平稳安全，机械臂的运动总体径向运动和加速度较小，因此,为了大大简化机械系统控制的操作难度，将机械臂系统分解成作为单独的输入单元和输出关节控制，忽略各个控制关节间的运动耦合度和力矩。2机械臂操作控制流程机械臂在完成一个复杂的任务时，将机械臂运动阶段分为：自由运动阶段、接近运动阶段和接触运动阶段。不同的阶段所采用的控制方法有所不同。3关节控制模式关节控制主要依据中央控制器指令实现位置控制、速度控制和力矩控制三种控制模式：3.1位置控制模式在这种关键位置关节速度电流控制系统工作原理模式下，关节位置速度电流控制管理单元驱动系统通过电机接收末端电机驱动中央关节速度电流控制器上的四个位置关节速度控制指令，采用电机实现式的位置、速度、电流三闭环控制系统结构,控制管理单元与各环路根据实际设置速度分为四个位置关节速度电流控制器、速度关节电流传感控制器、电流关节速度电压控制器，通过位置速度电流传感器可以实时进行采集并自动进行计算速度控制驱动机构汽车驱动中的末端电机控制单元位置、关节速度控制单元转速及电机驱动末端电机等效在一个正交轴上的速度电流,作为各电机关节速度控制管理单元与各环路间的闭环控制信号反馈。3.3.2速度控制模式在速度控制模式下，关节控制系统接收中央控制器速度指令，采用速度、电流双闭环控制结构，控制环路设置速度控制器、电流控制器，通过传感器采集并计算关节转速及电机等效交轴电流，作为两控制环路闭环反馈。3.3力矩控制模式力矩控制模式为系统柔顺控制的备份模式，关节控制系统接收中央控制器力矩指令，采用力矩、电流双闭环控制结构，控制环路设置力矩控制器、电流控制器，通过传感器采集并计算关节输出力矩及电机等效交轴电流，作为两控制环路闭环反馈。4关节控制方法4.1关节模型机电一体化关节包括伺服电动机与谐波减速港两部分,其中，减速器柔轮与具有一定刚度的扭转弹簧等效。由于系统控制会受到摩擦和外界干扰的影响，因此首先建立关节系统的力学模型。根据该模型,可以对后续矢量控制等参数进行计算设置。K4R+m(4)+k0=才盘其中，0L表示关节的输出轴位置，0m表示电机轴的位置,JL表示负载惯量,ks表示扭转弹簧的刚度系数,N表示减速比,M