1鄭州理工職業學院畢業設計（論文）題目：空間機械臂機電一體化關節的設計與控制學號：XXXX姓名：XXX專業班級：XXXXXXX指導老師：20xx年xx月xx日機械手、高標準精度運動機械臂,隨著當前我國航空科學技術研究和工程技術理論基礎的不斷進步，空間站上關節臂和子系統的結構設計技術理念將不斷得到進一步的研究拓展和不斷完善。參考文獻[1]黃慶會.空間機械臂機電一體化關節控制設計探究[J].科技風,2019(25):155.D01:10.19392/ki.1671-7341.201925139.[2]吳世楠.七自由度冗余操控臂的結構設計及其實驗研究[D].哈爾濱工業大學，2019.DOT:10.27061/ki.ghgdu.2019.004537.[3]劉守琦.淺析空間機械臂機電一體化關節的設計與控制[J].東西南北,2019(06):164.[4]楊永.空間機械臂減速機構故障診斷方法研究[D].江蘇大學,2018.[5]牛曉玲.空間機械臂機電一體化關節控制設計探討[J].機械設計與制造工程，2017,46(07):46-49.[6]李敏.空間機械臂機電一體化關節控制設計及應用[J].世界有色金屬，2017(08):230+232.[7]呂曉軍.空間機械臂機電一體化關節的設計及控制[J].現代制造技術與裝備,2016(11):29+31.D01:10.16107/ki.mmte.2016.0922.致謝經過了兩個多月的努力，我最后完成了論文的寫作。從開始接到論文題目到系統的實現，再到論文文章的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰，這也是我在大學期間獨立完成的最大的項目。我的這個這次論文教學研究我的作品不是很成熟,還有很多不足之處。但是這次自己努力做一個優秀論文的這次研究經歷真的能夠幫助使我自己可以得到終身深刻的的受益。我切身感受和感覺看到了真正要自己做一個好的論文教學研究也就是我們自己要真真正正的要用心用意識的去努力所要做的一件件好做的事情，是真正的自己不斷努力學習的一個起步過程和自己教學研究的一個進步過程，沒有自己努力學習就不會很難有可能不斷的具有一個論文教學研究的巨大發展潛力，沒有自己的努力進行研究，就不會真的能夠不斷有所突破，那也就不會很可能這么叫做自己做一個論文了。我也非常期望這次的這個論文研究經歷能夠有很多可能真的能夠幫助讓我在以后我的論文學習中我也能夠得到激勵我們并能夠繼續不斷進步。空間機械臂機電一體化關節的設計與控制摘要：空間站機械臂系統是空間站作為非常關重的組成部分，一般把機械臂列為空間站關鍵技術之一。課題以機械臂研制技術要求和系統功能配置方案需求為基礎，重點研究機械臂關節設計與控制問題。空間站機械臂系統由核心艙機械臂、實驗艙內部運動機械臂、兩臂關節部分共同組成，盡管兩臂部分執行不同任務基本功能控制需求各自之間具有很大功能差異，但是兩臂執行基本功能需求組成相同，各由7個大型運動大臂關節、2個小型運動關節臂桿、2個運動大臂的最末端一個運動關節效應器以及一個用于視覺上的運動關節控制技術系統部分組成。一體化控制模塊化自動關節控制作為整個空間專用機械臂的重要功能組成的一部分，其功能集成度與機械智能化應用程度直接相聯關系著整個空間專用機械臂自動控制的精確度和程度，這些也是國內空間專用機器人技術領域一直都在努力研究的熱點課題。目前國內雖然在開展空間專用機械臂控制關節的設計研制應用方面已經做了很多研究工作，但均仍然停留在臨床實驗室研究階段。根據大型空間站整體建設的實際任務以及需求,在大型空間站的整體搭建與日常維護等諸多大型空間使用活動中，都非常離不開新型空間專用機械臂的共同參與,因此我們有必要積極開展新型空間專用機械臂活動關節的應用相關技術研究，為未來實驗艙機械臂提供一種高智能化程度、高集成度、高可靠性、結構緊湊且能適應空間環境的空間機械臂關節。關鍵詞：空間站，機械臂，關節，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錯誤!未定義書簽。11錯誤!未定義書簽。1課題的目的及意義2錯誤!未定義書簽。..錯誤!未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z國內外研究現狀2錯誤!未定義書簽。..錯誤!未定義書簽。設計主要內容及安排.??.2、機電一體化關節總體方案2.1空間機械臂方案及組成..2.2功能需求分析22.3關節總體方案3\o"CurrentDocument"3、關節控制研究33.1機械臂控制結構43.2機械臂操作控制流程43.3關節控制模式43.4關節控制方法4\o"CurrentDocument"4、總結5參考文獻6致謝71、緒論L1課題的目的及意義隨著世界航天事業迅速發展，對太空的探索不斷深入，未來將有大量的空間任務需要人類來完成，如空間站的建造、空間設備的維護、科學實驗載荷的照料等。由于太空環境的特殊性和目前科技水平的限制，這些任務尚不能全靠宇航員來完成。空間機械臂具有適應微重力、高低溫交變、高輻射等太空環境的作業能力，采用空間機械臂協助或代替宇航員完成一些太空作業任務，在經濟性和安全性方面都具有重要的意義，已經成為空間技術研究領域內的一個重要的研究方向。隨著載人航天工程的發展，大型空間站建設己經提上工作日程。而空間機械臂是空間站建造的重要組成部分，是實現空間站在軌組裝和在軌維護的關鍵設備之01.2國內外研究現狀國外研究現狀空間站其它艙段自動遙控發射控制自動機械臂發射系統通常簡稱稱為ssrms,又稱加拿大臂2。ssrms遙控系統主要是泛泛指在s和mss兩個遙控系統中最先將其先從發射臺推出并然后安裝至整個新的國際軌道一號站和空間站的。其主要工作技術點和功能內容包括主要有:幫助支持一個空間站遙控設備在國際軌道的快速組裝、有效載荷及在。orus的停泊操作、支持一位美國航天員在eeeevav的身體活動運行方式如何及快速移送其它一位航天員至他們的所期望軌道中的正確位置。ssrms還功能可以同時用于幫助支持其它艙段遙控發射解除安裝時的快速轉移停泊和其它艙段發射解除時的快速停泊，以及與其它艙段遙控控制機械臂間在需要進行安裝有效載荷的遙控機械臂間需要進行快速轉移時的停泊操作。在一個發射臺上安裝一個新的spdm后,ssrms還功能可以同時用于幫助支持spdm成員進行正確定位至他們需要進行工作時的正確位置。國內研究現狀國內的空間機械臂關節方案主要有805所的月球車機械臂關節、哈工大的XX-4機械臂關節、北郵的機械臂原型關節等。月球車上的移動機械臂作為驅動電機關節的主要姿態運動保持功能之一也就是實現可以同時執行3個不同運動自由度的不同運動角度定向姿態轉動和固定臂部位置定向姿態運動保持，從而使得可以同時實現移動月球車上機械臂的臂部前端定向展開和固定臂部后端收攏位置運動保持功能、定位移動位置姿態保持等等運動功能。該車的機械驅動關節由直流電機驅動關節無刷電機、諧波電流驅動關節減速器、旋轉電流驅動關節變壓器、軸承等部分共同構成。為了有效地地減輕每個機械驅動關節的最大運動量和重量，機械臂驅動關節無刷電機驅動結構設計采用三軸式的分體式驅動結構設計，電機的兩個驅動定子與直流驅動電機關節共用一個驅動殼體,轉子的兩個主軸即為直流驅動電機關節的直流換向保護傳動軸，并共用一個驅動關節軸承。直流電機驅動關節無刷電機通過直接利用?個放置于直流驅動無刷電機內部的霍爾傳感式元器件系統來驅動實現直流驅動電機換向，具有驅動電機直流驅動關節換向保護能力強，體積小、重量輕,過載安全保護驅動能力強等主要運動特點。L3設計主要內容及安排本課題技術關鍵課題基礎研究中所涉及的電動控制關節主要就是應用于當前我國大型空間站用的專用大型機械臂，研究的關犍技術課題總體目標主要任務是盡快研究突破當前我國大型空間站用圓形機械臂大型機電設備專用一體化電動控制關節功能設計的一些重要關鍵技術和功能設計應用難點，研制出能滿足當前我國大型空間站用大型機械臂各種功能設計應用需求的大型高強度運動負載、高精度運動控制精度、可以作用于零件維修、易于作用于零件更換的新型專用全尺寸機電專用機械設備一體化電動控制關節。目前空間機械臂關節主要存在的技術難點有：(1)關節驅動/傳動/制動機構與電氣控制系統分別獨立設計，造成關節機構與控制系統間接線復雜，系統集成度與可靠性低；(2)為滿足機械臂末端操作需求，關節需要有較高的控制精度；(3)空間機械臂關節中由于采用了諧波減速器、力矩傳感器等柔性元件，使得機械臂運動過程中受到外力干擾及停止時，將會引起機械臂的振動，必須研究相應的撓性振動抑制算法。針對上述兩個重點研究問題，本重點研究課題的相關技術基礎研究以及重點工作內容主要包括為:重點研究突破開展采用控制體積小、質量輕、精度高、負載大的各類專用機械空間站和專用機械臂以及專用站等關節的機電復合振動設計一體化控制功能以及集成抑制振動系統設計技術控制相關技術，為今后實現專用空間站相關專用站和機械臂的精確集成振動設計控制打下基礎；2、機電一體化關節總體方案空間機械臂方案及組成空間站實驗艙機械臂主要由關節及驅動控制子系統、結構與機構子系統、末端效應器子系統、視覺子系統、移動基座子系統、末端作業工具子系統、在軌操作控制子系統、地面遙操作控制平臺共8部分構成。關節及驅動控制子系統由7個關節及其驅動控制器組成，7個關節分別安裝在機械臂的肩部、肘部與腕部，分別為肩滾轉、肩偏航、肩俯仰、肘俯仰、腕俯仰、腕偏航、腕滾轉關節。這些關節與臂桿和末端效應器連接，通過關節的旋轉實現機械臂三維空間運動。2功能需求分析.1系統的任務目標：(1)協助我國空間站的建造、維護、等基礎任務的完成(2)為航天員提供援助以增強其行動能力和安全性，減少其出艙次數；(3)最大限度降低航天員作業風險，進行環境的安全檢查；通過對帶動機械臂關節總體運動任務性的需求和功能分析，機械臂帶動關節子控制系統主要具有控制關節旋轉速度、位置、力閉環控制三種功能，可實現一定機械負載和工作精度條件要求下的關節旋轉方向運動,是整個機械臂的一個主體運動部分,完成帶動機械臂的多方向自由度旋轉運動；同時關節還系統可自動完成沒有斷電保護情況下的通電制動。2.2.2關節主要功能：(1)為機械臂提供操作負載與驅動能力；(2)為機械臂提供緊急制動功能，以及結構保護和運動角度限制等功能；(3)實現機械臂的高精度測量和控制；(4)實現機械臂與中央控制系統間的信息交互功能；(5)關節局部損壞或功能失效時，提供方便的在軌拆卸安裝接口；3關節總體方案因為機電結合一體化驅動關節系統需要同時實現動力傳動、制動、驅動、驅動過程控制、溫度檢測信號自動采集、位置和速度運動響應速度調節控制器的信號必須具有信息采集和進行數據通訊等多種重要技術功能,，同時關節的重要和體積也受到嚴格的限制，因此在設計過程中要克服在滿足功能要求的前提下盡可能的小型化、輕量化特點，并要求關節具備足夠的環境適應性和可靠性。為了克服這些難點，機電一體化關節的集成設計步驟主要包括如下幾步：(1)以調研為基礎，確定機電一體化關節的整體設計方案，主要包括零部件和傳感器的選型、中心孔走線以及冗余設計方案等；(2)首先根據實際的功能要求和性能參數分配零件的性能指標，要仔細核對關節內所有位置零部件的尺寸和接口；(3)進行關節內部結構和電氣控制硬件的設計；(4)設計關節的控制算法,并編寫相應的控制軟件；(5)完成關節結構和相應軟件的生產后，要對關節的性能和功能進行測試。3、關節控制研究機械臂控制系統的主要任務是完成機械臂的運動控制，針對特定的操作任務設計機械臂的運動軌跡，其次根據制定的運動軌跡，控制機械臂平穩準確地到達目標位姿，并根據任務需要完成機械臂末端執行器的抓捕、釋放等操作。因此，機械臂應具有的主要運動控制功能包括:路徑規劃功能、力控制功能、支持手動控制功能。機械臂控制結構機械臂是一個6自由度位姿輸入和7自由度關節輸出的多輸入多輸出系統,是一個復雜的串聯動力學系統。空間站點機械臂系統具有較為輕質和高柔性的機械本體運動特性,為了有效避免振動引起空間機械臂較大的徑向振動以及大大減小對于整個空間站點和基座的外力擾動,保證機械運行控制過程的平穩安全，機械臂的運動總體徑向運動和加速度較小，因此,為了大大簡化機械系統控制的操作難度，將機械臂系統分解成作為單獨的輸入單元和輸出關節控制，忽略各個控制關節間的運動耦合度和力矩。2機械臂操作控制流程機械臂在完成一個復雜的任務時，將機械臂運動階段分為：自由運動階段、接近運動階段和接觸運動階段。不同的階段所采用的控制方法有所不同。3關節控制模式關節控制主要依據中央控制器指令實現位置控制、速度控制和力矩控制三種控制模式：3.1位置控制模式在這種關鍵位置關節速度電流控制系統工作原理模式下，關節位置速度電流控制管理單元驅動系統通過電機接收末端電機驅動中央關節速度電流控制器上的四個位置關節速度控制指令，采用電機實現式的位置、速度、電流三閉環控制系統結構,控制管理單元與各環路根據實際設置速度分為四個位置關節速度電流控制器、速度關節電流傳感控制器、電流關節速度電壓控制器，通過位置速度電流傳感器可以實時進行采集并自動進行計算速度控制驅動機構汽車驅動中的末端電機控制單元位置、關節速度控制單元轉速及電機驅動末端電機等效在一個正交軸上的速度電流,作為各電機關節速度控制管理單元與各環路間的閉環控制信號反饋。3.3.2速度控制模式在速度控制模式下，關節控制系統接收中央控制器速度指令，采用速度、電流雙閉環控制結構，控制環路設置速度控制器、電流控制器，通過傳感器采集并計算關節轉速及電機等效交軸電流，作為兩控制環路閉環反饋。3.3力矩控制模式力矩控制模式為系統柔順控制的備份模式，關節控制系統接收中央控制器力矩指令，采用力矩、電流雙閉環控制結構，控制環路設置力矩控制器、電流控制器，通過傳感器采集并計算關節輸出力矩及電機等效交軸電流，作為兩控制環路閉環反饋。4關節控制方法4.1關節模型機電一體化關節包括伺服電動機與諧波減速港兩部分,其中，減速器柔輪與具有一定剛度的扭轉彈簧等效。由于系統控制會受到摩擦和外界干擾的影響，因此首先建立關節系統的力學模型。根據該模型,可以對后續矢量控制等參數進行計算設置。K4R+m(4)+k0=才盤其中，0L表示關節的輸出軸位置，0m表示電機軸的位置,JL表示負載慣量,ks表示扭轉彈簧的剛度系數,N表示減速比,M