模块化机械臂设计及其路径规划方法研究

摘要......................................................................................................................I ABSTRACT ........................................................................................................... II 第1章绪论. (1)

1.1 课题背景及研究的目的和意义 (1)

1.2 模块化关节机械臂研究现状 (1)

1.2.1 国外研究现状 (2)

1.2.2 国内研究现状 (6)

1.3 机械臂路径规划研究现状 (7)

1.4 本文的主要研究内容 (7)

第2章模块化机械臂应用系统及技术指标分析 (9)

2.1 引言 (9)

2.2 平面双臂空间机器人实验系统分析 (9)

2.3. 模块化机械臂设计需求分析 (10)

2.4 模块化机械臂技术指标设计 (11)

2.4.1 模块化关节力矩指标设计 (11)

2.4.2 模块化关节精度指标设计 (13)

2.5模块化机械臂性能指标要求 (16)

2.6 本章小结 (16)

第3章模块化机械臂结构设计与分析 (18)

3.1 引言 (18)

3.2 模块化关节方案设计及实现 (18)

3.2.1 模块化关节的设计方案分析及选择 (18)

3.2.2 模块化关节的方案设计及结构实现 (19)

3.2.3电气接口连接及中心孔走线设计 (21)

3.3 模块化关节关键部件选型校核 (22)

3.3.1 电机的选择和校核 (22)

3.3.2 谐波减速器选择和校核 (23)

3.3.3 失电制动器的选择 (24)

3.3.4 编码器的选择 (25)

3.4 机械臂连杆的方案设计及有限元分析 (25)

3.4.1 一体式连杆的结构设计及有限元分析 (25)

3.4.1.1 设定连杆所用材料的力学参数 (26)

3.4.1.2 网格划分及约束载荷的添加 (26)

3.4.1.3 结果分析 (27)

3.4.2 其它法兰件的结构设计及有限元分析 (28)

3.5 机械臂的虚拟装配 (28)

3.6 本章小结 (29)

第4章机械臂运动学及路径规划方法研究 (30)

4.1 引言 (30)

4.2 运动学方程的建立 (30)

4.3基于速度级的运动学路径规划 (34)

4.3.1 算法原理介绍 (34)

4.3.2 仿真及结果 (35)

4.4基于多智能体系统的机械臂路径规划 (37)

4.4.1 马尔可夫对策及强化学习 (37)

4.4.2 基于多智能体的机械臂系统 (39)

4.4.3 基于多智能体的机械臂路径规划算法 (40)

4.4.4 算法实现及仿真 (42)

4.5 本章小结 (43)

第5章模块化机械臂平台搭建及实验分析 (45)

5.1 引言 (45)

5.2 机械臂实验平台的搭建 (45)

5.2.1 机械臂控制方案的选择 (45)

5.2.2 机械臂电控系统的搭建 (46)

5.2.3 机械臂系统的装配 (47)

5.3机械臂系统测试实验 (49)

5.3.1 机械臂单关节速度测试 (49)

5.3.2 机械臂路径规划算法测试实验 (50)

5.4本章小结 (54)

结论 (55)

参考文献 (56)

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (60)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (61)

致谢 (62)

第1章绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

本课题来源于国家高技术发展计划（863计划），针对空间在轨服务的需求和必要性在近年来的不断增加这一趋势，本文进行模块化机械臂的有关研究。

在人类好奇心驱动的作用下，多年以来人类表现出了对未知世界的无穷渴望。除了可以发现新的世界以外，多年来的探索还证明了其对经济增长的巨大益处。在探索未知世界的过程中，人类掌握的技术，发现的新物质和材料都给国家民族带来了巨大的回报。目前我们所知道的太阳系及以外的知识，几乎都是通过机器人探测器，轨道器，登陆器和空间巡航器获得[1]。这些机器人探险家代表人类通过了黑暗和深空，以便观察，测量，并访问遥远的世界。它们携带有各种传感器和导航设备以及数据处理和通讯设备已经在轨道上和行星表面完成了重要的科学探索和工程任务[2]。机械臂作为重要的且是唯一的执行终端在这些探测活动中有着相当重要的用途。

携带机械臂的空间探测器不仅具有探索新事物的能力，而且还具有维修现有设备的能力。后者可以避免资源浪费，例如对我国在2001年发射的鑫诺2号卫星未能成功展开太阳能帆板，导致该星顷刻间成为一颗废星。这一事故凸显了在轨服务的必要性和经济效益：如果可以有空间维修机器人为它换一个太阳能帆板，即可使得它重新投入使用，这将可以避免重大的经济损失。近年来美国航天局的凤凰计划便涵盖了在轨服务这一日益重要的领域[3]。

随着空间机器人对接技术和虚拟智能控制技术的不断成熟，在轨服务将得到进一步的发展，可以预见，在不远的将来，在轨服务可以提供的服务类型、可面向的服务对象等都将会得到扩展。机械臂技术是在轨服务技术的重要组成部分，具有重要的研究意义。机械臂作为空间在轨服务的唯一的执行机构，其必须具有很高的可靠性[4]。这需要地面进行大量的验证和模拟试验，在此过程中，地面验证系统将是这些试验的基础和先决条件[5]，本课题将研究地面用于模拟在轨服务中的机械臂相关方面内容，进行机械臂系统的研制，然后利用这一机械臂进行一些路径规划算法验证试验，为将来我国的在轨服务提供技术和理论基础支持。

1.2 模块化关节机械臂研究现状

自从机械臂诞生以来，便迅速的被应用到人类生产的各个方面，首先应用