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毕业设计（论文）

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年月日

大型空间机械臂设计方案和效应器的比较研究

丰飞，刘伊威，刘宏，蔡鹤皋

（哈尔滨工业大学机器人系统与技术国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080）

摘要：

大空间机械臂的末端执行器用来协助处理和操纵大型机械手对轨道的有效载荷。

目前，关于末端执行器的研究较少，且现有的末端执行器有一些缺点，如不对耐受能力差和复杂的机械部件。

根据端定位误差和的大空间机械臂的残余振动特性，两个基本性能要求的末端执行器包括提出了未对准公差和软捕获能力。

末端执行器应满足如下的机械接口错位。

在轴向和径向方向和角度错位的错位滚动，俯仰和偏航100毫米，100毫米，10°，15°，15°，分别考虑七个末端执行器的方案和的错位公差和软捕获能力的初步分析。

三个手指的三瓣的末端执行器与钢丝绳圈套的末端七方案最可行的方案，并进行了详细的设计。

错位公差和软捕获的能力进行验证和评价，通过对微重力模拟装置实验在亚当斯软件的动态分析。

结果表明，这两个方案的失调容差能力满足要求。

在轴向和径向方向和角度偏差的翻译错位公差在辊，钢丝绳的俯仰和偏航网罗末端为30mm，15mm，6，3和3°°大于三指三瓣末端执行器，和钢丝绳的末端执行器的接触力被减小，比这三个手指的三瓣末端执行器。

端部执行器方案和研究方法有利于发展大空间机械臂末端执行器和空间对接机构。

关键词：

末端执行器，大空间机械臂，机制，软捕获，失调容差，分层最优控制，计算机科学控制

1引言

Thelargespacemanipulatorisanimportanttoolforthe

大空间机械手是一个重要的在轨服务的工具。

它是用来建立和保持空间大等基础设施的空间站。

机械手基本功能如下所示1–[8]。

（1）协助宇航员在装配，建设大空间基础设施的维护。

（2）执行处理大型有效载荷的作用。

（3）提供支持在舱外太空活动。

（4）协助航天器与太空船坞。

（5）修复大型航天器和卫星加油。

随着空间探索的发展，大空间机械臂也将被广泛地应用于建设和其他大型空间结构组件，如太空望远镜，空间太阳能电站等。

在图1显示了大空间的工作场景机械手系统。

大空间机械手在大型航天器捕获的有效载荷通过抓牢固定在有效载荷的机械接口。

themechanicalinterfacefixedonthepayload.

图l空间大型机械臂工作场景想象图

最具代表性的空间机械臂的航天飞机遥控操纵系统，这是众所周知的加拿大臂。

它是由加拿大航天局开发和MDA公司，由哥伦比亚纳入空间首次在1981号航天飞机。

目前，五个类似的系统已经开发了五空间航天飞机，并完成了许多在轨服务任务9–[10]。

根据其优异性能航天飞机遥控机械手系统，加拿大空间公司开发的移动服务系统的国际空间的建设和维护站。

该系统的机械手称为空间站遥控机械臂系统（SSRMS），称为加拿大臂2，是航天飞机的更新版本遥控操纵系统[11]。

日本航空研究开发机构和欧洲航天局自己开发的大空间机械臂分别命名日本实验模块的远程机械手系统和欧洲机械臂。

这两个机械手系统的使用在日本实验模块和模块的俄罗斯国际空间站。

因此，只有三大空间机械臂的工作永久性的国际空间站上的12–[14]。

所有的这三个机器人末端执行器的航天飞机的远程端部执行器的后裔机械手系统。

大空间的末端执行器至少有两个机械手操作回路，捕获环和硬化环。

因此，端部执行器可以帮助机械手操作可靠的有效载荷。

此外，锁定环和连接环对机械手的位置的有效载荷的必要精确地完成数据的传输和功率[15]。

前两个回路的末端是必不可少的，而后两个回路是可选的。

开始的时候欧洲的机械臂末端执行器的发展，是由欧洲航天局一种新的发展机械手系统。

不幸的是，它不能捕获自由浮动的目标，因此，欧洲航天局没有选择而改变该末端执行器的航天飞机遥控机械手系统[16-17]。

在本文中，基本的性能要求包括错位公差的能力和端部执行器的软捕获方法，大空间机械手的工作环境特点。

端部执行器在基本性能方面的要求类似于空间对接机构。

然后该方法也提出了使端部执行器来满足这些基本的要求。

对七末端执行器的设计方案提出的两个最基本的比较可行的、具有代表性的方案进行了详细的设计。

此外，最佳的设计方案是通过动态仿真与试验研究的错位公差和软捕获能力。

而电缆的末端是最理想的圈套方案，集成了错位的能力与软捕获性能的完美结合。

2大型机械臂末端执行器的基本要求

与在地面上的机械手工作比较，大空间机械臂具有很多特性。

特殊的工作环境和目标降低发射成本和最大化负载/重量比，大空间机器人一直是一个轻量级的机器人手臂和大空间机器人柔性臂。

关节驱动直流电机的谐波驱动器（或行星齿轮传动）的灵活性来自其繁多的复合材料制成。

大空间机械臂工作空间成为一个长期繁复的大型系统。

此外，为了避免阻碍和促进其灵巧的机械手机器人应该有六个或七个旋转关节。

由于上述末端定位误差和残余振动等特点严重降解了大空间机械臂的[18]的性能。

因此，末端执行器的整体是非常重要的。

机械手系统来弥补其缺点和它的性能。

机械手要花很长的时间等待残余振动消失或减弱，所以残余振动会降低操作效率。

如果机械手仍然工作在捕捉有效载荷的过程，将会更多时间用于全过程造价。

因此，端部执行器应该有能力独立完成捕获过程。

捕获程序如下。

首先，机械手位置的末端执行器在适合的地方捕获操作；其次，各关节的机械手末端执行器锁定，然后开始捕获的机械接口独立。

捕捉到可靠的机械接口端部执行器至少具有捕获环和硬化环。

然而，闭锁回路和数据/电源连接环是的一些特殊必要的操作任务。

在上述分析的基础上，对端部执行器的要求如下。

2.1错位公差能力要求

机械手在空间微重力的环境定位能力较差，因此它的端部执行器应该有能力捕获接口成功即使机械接口和端部执行器之间有再大的失调存在。

失调包括翻译失调径向和轴向和角失调俯仰，偏航和辊。

错位公差能力使端部执行器与对接机构有空间。

它要求末端有错位公差能力和端定位的缺点补偿。

根据大空间机械臂终端的能力，该捕获的末端回路应适应机械界面初始偏差条件，这是在表1所示的【17】。

表1错位公差要求

2.2软捕获能力的要求

Inordertominimizethecontactforceduringthecapture

为了捕获的过程中尽量减少接触力之间的过程和实现低冲击接触末端执行器和机械接口，端部执行器应该有软捕获性能。

软捕获/低捕获的能力是特别重要的惯性/质量的浮动目标。

如果最终不能用软捕获机械界面的接触过程中，接触应力将发生过大或碰撞。

因此目标将会回升，摆脱捕获的末端执行器空间的笼罩，并导致最后目标的失败。

end-effectorandthemechanicalinterface,theend-effector

2.3硬捕获能力的要求

Forsomespecialpurposes,themanipulatorisrequiredto

为了一些特殊的目的，操作要求走在基地扩大它的工作的范围，因此具有两个末端执行器的机械手对其肘关节对称配置。

机械手的对称配置使交换其手腕和手臂，因此可以提供机械手浮动的能力。

在这次行动中，它要求确立在刚性结构连接和电气连接末端执行器与基地完成数据通信和电力传输。

此外，精确的定位和大惯性/批量处理有效载荷也需要坚硬的机械连接端部执行器和机械接口。

总之，末端执行器的容错能力和错位软捕获的基本性能要求，为端部执行器所给的设计准则。

3满足性能的方法要求

3.1错位公差能力的提高

能力强的末端执行器的设计错位公差可以模仿对接机构的空间设计，因为他们有相似的功能和要求。

根据审查和对接机构调查，探头锥错位耐受性比周边式对接机制的能力强，并且探头锥的能力通过锥的大小决定的，而一个依赖于周边的尺寸和的导阀[19]的形状。

有三种方法促进错位的耐受能力。

（1）端部执行器和对接机构有一个大包膜捕捉空间或可以通过的捕获机制的部署。

径向相应的机械接口尺寸小于末端与对接机制。

因此，末端执行器可以捕捉到的机械接口，即使与它们之间的有大的失调。

（2）符合要求的第二种方法失调容差的末端或对接机构具有较小的直径比机械接口，可以获得较小的的捕获机制建设。

作为捕获的端部执行器或对接机制是插入机械接口，机械接口可以引导捕获机制来达到适当的位置，然后捕获机制部署掌握机械接口。

探头锥对接系统是这种方法的一个实际的例子。

（3）在6-DOF末端安装并联机器人机构能增加的错位公差能力。

在拍摄过程中，该之间的转换和失准角末端执行器和机械接口可以通过控制并联机器人机构调整。

可以减少到所需的值的误差适用于捕捉。

错位的能力耐受性取决于对并联机器人工作空间机制。

著名的和常见的并行机制是斯图尔特的机制。

3.2软捕获的方法

Thecapturingloopismainlyusedtocorrecttheradial

捕获环主要是用来纠正径向翻译和角度错位。

因为机械手的定位能力，端部执行器和机械之间的未对准接口存在相对较大的径向平移失调角。

此外，通过对机械臂的残余振动的影响，大机械手的关节应该被锁定，无法捕捉操作。

因此，端部执行器应完成捕获独立运作，在它被定位于要求的机械臂抓取位置。

捕获环应避免在机械接口施加接触力大，特别是工艺捕获低惯性/质量目标。

有三种方法完成软捕获。

（1）基于软捕获被动柔顺。

为了使末端具有软捕获能力的被动柔顺装置，软的或灵活的元件应采用捕获的端部执行器或捕获的机制的机械接口。

例如，钢丝绳，柔性电缆和电磁元件可作为弹性元件。

（2）基于软捕获活动的合规性。

在这样的基于主动柔顺软捕获，阻抗控制和混合位置/力控制是用来控制机械手完成所需的接触力跟踪其末端执行器与机械之间接口。

机器人系统的机器人工作站通过反馈控制的机械手系统从力/力矩传感器的信息，调整末端执行器的位置和方向直到接触力是可以接受的。

（3）软捕获基于无源集成主动柔顺。

这是最可靠的方法完整的软捕获。

参与的被动柔顺采用这一方法，在端部执行器由软捕获机制。

和主动柔顺控制采用的是机械手跟踪所需的接触力之间的端部执行器和机械接口。

这样的系统有一个绝佳的软捕获能力。

总之，第一种方法只利用了机制符合获得软捕获，这具有一定的局限性。

第二个应用活性合规控制实现软捕获和取决于在控制系统的性能。

显然，这第三种方法是实现软捕获最可靠的方法。

3.3硬捕获的方法

硬捕获只能完成闭锁机构，它是用来增加刚度和提高机械的可靠性连接。

有许多种类的闭锁机构。

闭锁机构，是一个提出了组件和电子连接器的复杂的闭锁。

末端的SSRMS[15]类似于一种闭锁机构。

图2显示锁定连接操作作业顺序。

连接器托架安装在直线轴承，沿导轨上基地。

只要直线轴承走向机械接口，该电连接器对机械进行接口。

最初，测序该锁定爪接触直辊凸轮的测序的基础部分，如图2

（一）。

在这个位置，闩锁组件随着连接器推向机械接口。

在部署位置的锁定爪图2（b），测序轧辊开始接触测序凸轮斜段。

然后锁定爪部署和预压套的与底座的底盘弹簧触点。

螺杆系统继续运动部署闭锁爪与相应的锁定杆在接触机械接口。

由于螺杆系统继续动起来，碟形弹簧压缩端部执行器和机械接口施加负荷，如图2（c）。

这样锁定爪部署绝对和闭锁操作完成。

同时，末端执行器和机械接口之间有一个适当的施加载荷，所以继续螺杆的升降系统将只带动连接器移动和完整的连接操作。

图2（d）显示电气连接状态。

4末端执行器的设计方案

大空间机械臂有两种捕获操作上的轨道，捕获的合作目标和捕获非合作目标。

大空间机械臂通常用来捕捉合作目标。

据对末端执行器的基本性能要求，七种方案的末端效应器相应的提出了机械接口。

在比较性能，有两种可行的方案详细设计。

4.1三指三瓣末端执行器

三指三瓣末端执行器的捕获原理端部执行如下。

端部执行器具有三指分别分布在一个圆周角120°间隔，和机械接口有三楔形槽也分布在圆周上。

这三个楔形槽连接端，端部执行器可以促进最大限度的错位的耐受能力，如图所示3和图4。

有两种类型的三个方案三指三瓣末端执行器。

机械接口和捕获机制的方案2是相似的，接口和轨道快车对接机构的项目[20]。

图3。

4.1.1方案1

这三指三瓣末端执行器被划为三节槽。

三部分包括部署部分，过渡段与直线段。

每个手指通过转动手指基关节固定在支撑指支持。

所有的限位销安装在的末端执行器上的支持，和针穿透通过相应的指导槽。

手指支撑连接在支撑结构端部执行器通过三个直线轴承，并启动通过有限的浮动线来回移动螺母系统安装在手指支持通过压缩弹簧。

丝杠螺母的直线运动由致动器驱动滚珠丝杠实现。

当部署部分的三个手指接触引脚限制，手指被部署到形成一个被捕获的空间，如图5所示。

然后滚珠丝杠系统由致动器驱动系统对支持移动手指的背面端部执行器。

同时，通过引导槽和限位销相互作用逐渐手指并拢，造成指插入相应的楔形槽。

当过渡段三个手指接触销的限位，捕获完成相对径向错位与失准角滚，偏航和俯仰适度修正。

此后，直线运动的部分开始与销的限位接触，硬化回路开始工作。

机械界面绘制对末端执行器在机械接口的精确定位锥，匹配端部执行器。

因此，实现精确定位。

最后，所有的失调完全纠正，电源/数据连接也完成了。

该末端执行器的组成如图5所示，与手指的形状如图6所示。

该方案的优点是，它可以实现捕获，硬化，只由一个执行器连接，其错位的能力是优于其他的，但不适合软捕获捕获环和连接环的硬化只由一个驱动系统来完成，因此减少控制的复杂性，且可靠性可大大提高。

有限的浮动螺杆螺母系统将减少冲击影响保护末端执行器的影响。

4.1.2方案2

捕获方案设计原则2是类似于方案1的，只有与端部执行器的机制区别。

方案2的端部执行器组成有致动器系统，滚珠丝杠系统，手指系统和支持系统，如图7所示。

致动器系统包括无刷直流电机，直谐波齿轮传动和齿轮。

螺母系统有滚珠丝杠和有限的浮动螺母系统。

手指系统组成有手指耦合连杆和主连杆。

手指与连杆通过转动关节，和整个手指系统安装在手指上通过主连杆和耦合联动的支持。

耦合连杆连接到手指的支持旋转接头和螺旋弹簧，提供驱动手指的转矩部署。

部署的运动指由手指的直线运动的实现支持，这是由滚珠丝杠系统绘制。

图8显示部署过程中的端部执行器。

（a），当手指支撑底部端部执行器，手指被限制在端部执行器。

作为致动器系统工作，执行器系统驱动滚珠丝杠系统推动的手指支持，由于端部执行器的外壳然后用手指推而不部署，如图8所示的限制。

（b），然而，只要手指支架推出来从端部执行器，即，不由外壳的限制旋转接头连接耦合机构和手指支持，三个手指同时部署的螺旋弹簧的驱动下，如图8所示。

（c），顺便说一下，上面提到的展开过程的程序捕获过程是相反的。

在方案2末端执行器的优点是只要旋转接头连接指系统和指支持由末端执行器壳体限制捕获过程即可完成，也就是说，如果仅指支持被加入端部执行器，手指会紧密结合在一起。

同时，在方案1的端部执行器相比，该缺点是，末端有太多的关节降低其可靠性，特别是在空间工作环境。

4.2末端执行器的伸展

Theinsidedeployableend-effectorhassmallerradialdimensionthanthemechanicalinterfaceorcangetsmaller

末端执行器的内部部署具有径向尺寸比机械接口较小或通过压缩捕获机制可以获得较小的的径向尺寸。

当端部执行器插入机械接口和捕获机制达到合适的位置的捕获机制，部署和捕获机械接口。

有许多方法可以满足这一设计思想。

然而，这里介绍一个特殊的方案。

该采集系统包括一个三棱柱接口和端部执行器。

端部执行器组成的三捕获的手指，三推机构，滚珠丝杠系统和执行系统，如图9所示。

捕获原理如下。

在开始的捕获，手指收缩减少径向尺寸以便捕获机制可插入的端部执行器很容易。

当致动器系统驱动滚珠丝杠系统移动螺母座直向螺钉尖端，手指开始部署。

同时致动器系统继续工作，这将手指插入的楔形槽机械接口与误差最终修正。

三角形的接口可以引导捕获手指插入机械接口很容易和顺利，当三捕捉手指插入的机械接口对应的角落径向和角误差完全的校正。

connectedwiththefingerandtheotherendwiththe

thefixedring.Fig.10（d）showsthemechanicalinterface

4.3旋转环和连杆连接端效应

Therotatingringandlinkagecouplingend-effectoris

旋转环和连杆连接末端执行器由旋转环，固定环，三个手指系统和执行系统。

如图10所示（a），三个手指分别与固定环和联系通过旋转接头。

各连杆的一端与手指旋转环的另一端。

旋转环由致动器驱动系统。

在待机模式下，三个手指尖分别位于A点，B点和C点。

为了扩大空间，手指的形状可以设计为弧形。

因此，手指可以放置到固定环。

图10（d）显示由三条和两缸板组成的机械接口。

图10（a）–（c）显示捕获过程。

在捕获操作，在顺时针旋转的旋转环方向驱动指1到2轴转动，手指轴和3轴上的手指的指尖轨迹分别从A到B，从B到C和C到A。

当端部执行器移动到合适的位置在机械接口在捕捉空间端部执行器，手指采集这是位于由相应的地区尖端的轨道和固定环。

为继续捕获过程，末端执行器可以完成硬化操作。

释放过程是相反的捕获操作，旋转环逆时针旋转方向。

fromtheprobe-conedockingmechanism[21–22].Topromote

themechanicalinterfaceasthepassivehalf.Inthisscheme

tothefirstone,namely,theflexibleprobeisdesignedtobe

该末端执行器的缺点是错位公差和软捕获能力差。

但它可以同时完成捕获环和硬化环。

4.4柔性探头导向圆锥末端执行器

从探头锥对接机构21–[22]衍生灵活的探头引导锥末端。

为了促进柔软的捕捉能力，用对接的刚性探头机构代替柔性探头。

有这类的末端执行器的两种方案。

在第一个方案，灵活的探针的设计是末端执行器作为活性的一半，和导流锥机械接口作为被动的一半。

在这个方案捕获机制是在前端的设计灵活的探头。

传动系统采用腱鞘驱动系统穿过空心灵活的探头。

在另一方案，设计是相反的即第一个灵活的探针的设计是机械接口与导流锥是端部执行器。

捕获机制是安装在导流锥。

tothefirstone,namely,theflexibleprobeisdesignedtobemechanicalinterfaceandtheguidingconetobethe

第一个方案的柔性探针更复杂，其径向尺寸要大于第二个。

因此，这两个探针的灵活性和的错位公差的末端执行器的能力退化。

它将削弱错位公差能力，该探针锥对接机构的耐受能力，降低柔性软捕获能力。

第二个是最优方案。

图11显示捕获过程的柔性探头引导圆锥末端执行器。

complicated,andtheradialdimensionwillbelargerthan

thesecondone.Consequently,boththeprobeflexibility

andtheend-effectorcapabilityofmisalignmenttolerance

aredegraded.Anditwillweakenthemisalignment

tolerancecapabilityoftheprobe-conedockingmechanism,

andalsodecreasethesoftcapturecapabilityofflexible

probe.Thesecondoneistheoptimalscheme.Fig.11

showsthecapturingprocessoftheflexibleprobe-guiding

coneend-effector.

axisEandfinger3onaxisF.Thetracksoffingertipsare

fromAtoB,fromBtoCandfromCtoA,respectively.

Whentheend-effectorismovedtothesuitableposition

wherethemechanicalinterfaceisinthecapturespaceof

theend-effector,thefingerscapturethecorrespondingbars

whicharelocatedtothecorrespondingareasformedbythe

tiptracksandthefixedring.Asthecapturingprocess

continues,theend-effectorcancompletetherigidizing

operation.Thereleasingprocessiscontrarytothecapturing

operation,therotatingringrotatesinananticlockwise

direction.

composedofarotatingring,afixedring,threefinger

systemsandanactuatorsystem.AsshowninFig.10（a）,

threefingersareconnectedwiththefixedringandlinkages

throughrevolutejoints.Oneendofeachlinkageis

connectedwiththefingerandtheotherendwiththe

rotatingring.Therotatingringisdrivenbytheactuator

system.Inthestandbymode,thethreefingerstipsare

locatedatpointA,pointBandpointC,respectively.In

ordertoenlargethespace,theshapeoffingerscanbe

designedcambered.Hencethefingerscanbeplacedinto

thefixedring.Fig.10（d）showsthemechanicalinterface

consistofthreebarsandtwocylinderplates.

radialdimensionbyconstrictingthecapturingmechanism.

Whentheend-effectorisinsertedinto