行星采样机械臂的结构设计与轨迹规划

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1、学校代码：10289分类号：TP24密级：公开学号：132020028江苏科技大学硕士学位论文行星采样机械臂的结构设计与轨迹规划研究生姓名张鹏导师姓名张冰蔚申请学位类别工学硕士学位授予单位江苏科技大学学科专业机械电子工程论文提交日期2016年5月4日研究方向机器人论文答辩日期2016年6月6日答辩委员会主席鄢华林教授评阅人2016年6月6日分类号：TP24密级：公开学号：132020028江苏科技大学硕士学位论文行星采样机械臂的结构设计与轨迹规划学生姓名张鹏指导教师张冰蔚江苏科技大学二O一六年六月AThesisSubmittedi

2、nFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringTheStructuralDesignofPlanetarySamplingArmanditsTrajectoryPlanningSubmittedbyZhangPengSupervisedbyZhangBingweiJiangsuUniversityofScienceandTechnologyJune,2016江苏科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工

3、作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日摘要对外太空的探索是当前研究的一大热点，其中行星采样研究是非常重要的一环。本文主要研究一种轻量化低功耗行星采样机械臂的结构设计和轨迹规划，是中国处在火星探测计划和探月工程大背景下的一次探索性研究。首先根据任务需求，确定一个整体方案，设计的采样机械臂具有4个自由度，均为旋转关节，关节之间通过空心连杆连接，

4、接着确定各关节的机械结构。设计的采样机械臂可以展成三角形结构充当桅杆来支撑导航摄像头，同时设计一种锁定装置确保这种三角形结构的稳定性，该设计方案大幅度降低了总体质量和能耗。同时还进行运动仿真检查采样机械臂运动过程中干涉和碰撞情况，借助有限元软件分析采样机械臂的强度和刚度，分析的结果表明设计符合要求。接着根据设计的采样机械臂的机械结构建立起运动学模型，通过D-H参数法推导出正运动学模型，以此为基础求解采样机械臂的工作空间，通过代数求解法推导出逆运动学模型，借助RoboticsToolBox工具箱进行运动学仿真，验证其正确性。其次以推

5、导出的运动学模型为基础，分析采样机械臂的轨迹规划算法。在关节空间中分析并仿真三次多项式插值和五次多项式插值轨迹规划算法。从仿真的结果看，三次多项式插值计算量较小，但是不能保证关节角加速度的连续性；五次多项式插值能够保证关节角加速度的连续性，但是计算量比较大。在笛卡尔空间中分析空间直线插补和空间圆弧插补轨迹规划算法，并进行这两种插补算法的仿真实验。然后在Windows平台上，借助VisualC++6.0开发采样机械臂三维运动仿真软件。首先通过MFC搭建软件的整体框架，然后通过OpenGL绘制采样机械臂的三维简化模型，最后将运动学的正

6、逆解和四种轨迹规划算法融入其中。该仿真软件有效的验证了运动学模型和轨迹规划算法的正确性，同时还能够直观显示轨迹规划的仿真动画，为物理样机调试提供了很大的参考。最后对采样机械臂物理样机进行调试实验，首先搭建采样机械臂的硬件平台，包括控制器、驱动器和电机的连线，然后实现运动仿真软件和控制器之间的通信，将仿真求解的数据发送给控制器从而控制电机的运动，最后进行采样机械臂末端的直线插补和圆弧插补实验。实验结果进一步的验证了运动学模型和轨迹规划算法的正确性。关键词采样机械臂；运动学；轨迹规划；运动仿真IAbstractTheexplorati

7、onofouterspaceisahottopicinthecurrentresearch,andtheplanetarysamplingresearchisaveryimportantpartofit.Inthispaper,thelightweightlow-powerstructuraldesignofplanetarysamplingarmanditstrajectoryplanningismainlyresearched,whichisaexploratorystudyunderthebackgroundofthemar

8、sexplorationprogramandthelunarexplorationprojectinChina.Firstly,theoverallstructuraldesignisdeterminedaccordingtothetaskrequ