1鄭州理工職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文）題目：空間機械臂機電一體化關(guān)節(jié)的設計與控制學號：XXXX姓名：XXX專業(yè)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(shù)研究和工程技術(shù)理論基礎的不斷進步，空間站上關(guān)節(jié)臂和子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計技術(shù)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(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)設計及其實驗研究[D].哈爾濱工業(yè)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(guān)節(jié)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(gòu)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)的設計及控制[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2016(11):29+31.D01:10.16107/ki.mmte.2016.0922.致謝經(jīng)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(tǒng)的實現(xiàn)，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(zhàn)，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(yōu)秀論文的這次研究經(jīng)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(fā)展?jié)摿?，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(jīng)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(xù)不斷進步?？臻g機械臂機電一體化關(guān)節(jié)的設計與控制摘要：空間站機械臂系統(tǒng)是空間站作為非常關(guān)重的組成部分，一般把機械臂列為空間站關(guān)鍵技術(shù)之一。課題以機械臂研制技術(shù)要求和系統(tǒng)功能配置方案需求為基礎，重點研究機械臂關(guān)節(jié)設計與控制問題?？臻g站機械臂系統(tǒng)由核心艙機械臂、實驗艙內(nèi)部運動機械臂、兩臂關(guān)節(jié)部分共同組成，盡管兩臂部分執(zhí)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(zhí)行基本功能需求組成相同，各由7個大型運動大臂關(guān)節(jié)、2個小型運動關(guān)節(jié)臂桿、2個運動大臂的最末端一個運動關(guān)節(jié)效應器以及一個用于視覺上的運動關(guān)節(jié)控制技術(shù)系統(tǒng)部分組成。一體化控制模塊化自動關(guān)節(jié)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(lián)關(guān)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(nèi)空間專用機器人技術(shù)領(lǐng)域一直都在努力研究的熱點課題。目前國內(nèi)雖然在開展空間專用機械臂控制關(guān)節(jié)的設計研制應用方面已經(jīng)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(jù)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(guān)節(jié)的應用相關(guān)技術(shù)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(jié)構(gòu)緊湊且能適應空間環(huán)境的空間機械臂關(guān)節(jié)。關(guān)鍵詞：空間站，機械臂，關(guān)節(jié)，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(nèi)外研究現(xiàn)狀2錯誤!未定義書簽。..錯誤!未定義書簽。設計主要內(nèi)容及安排.??.2、機電一體化關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)總體方案3\o"CurrentDocument"3、關(guān)節(jié)控制研究33.1機械臂控制結(jié)構(gòu)43.2機械臂操作控制流程43.3關(guān)節(jié)控制模式43.4關(guān)節(jié)控制方法4\o"CurrentDocument"4、總結(jié)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(yè)迅速發(fā)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(huán)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(huán)境的作業(yè)能力，采用空間機械臂協(xié)助或代替宇航員完成一些太空作業(yè)任務，在經(jīng)濟性和安全性方面都具有重要的意義，已經(jīng)成為空間技術(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)的一個重要的研究方向。隨著載人航天工程的發(fā)展，大型空間站建設己經(jīng)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(xiàn)空間站在軌組裝和在軌維護的關(guān)鍵設備之01.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀空間站其它艙段自動遙控發(fā)射控制自動機械臂發(fā)射系統(tǒng)通常簡稱稱為ssrms,又稱加拿大臂2。ssrms遙控系統(tǒng)主要是泛泛指在s和mss兩個遙控系統(tǒng)中最先將其先從發(fā)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(shù)點和功能內(nèi)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(fā)射解除安裝時的快速轉(zhuǎn)移停泊和其它艙段發(fā)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(zhuǎn)移時的停泊操作。在一個發(fā)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(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)的空間機械臂關(guān)節(jié)方案主要有805所的月球車機械臂關(guān)節(jié)、哈工大的XX-4機械臂關(guān)節(jié)、北郵的機械臂原型關(guān)節(jié)等。月球車上的移動機械臂作為驅(qū)動電機關(guān)節(jié)的主要姿態(tài)運動保持功能之一也就是實現(xiàn)可以同時執(zhí)行3個不同運動自由度的不同運動角度定向姿態(tài)轉(zhuǎn)動和固定臂部位置定向姿態(tài)運動保持，從而使得可以同時實現(xiàn)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(tài)保持等等運動功能。該車的機械驅(qū)動關(guān)節(jié)由直流電機驅(qū)動關(guān)節(jié)無刷電機、諧波電流驅(qū)動關(guān)節(jié)減速器、旋轉(zhuǎn)電流驅(qū)動關(guān)節(jié)變壓器、軸承等部分共同構(gòu)成。為了有效地地減輕每個機械驅(qū)動關(guān)節(jié)的最大運動量和重量，機械臂驅(qū)動關(guān)節(jié)無刷電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)設計采用三軸式的分體式驅(qū)動結(jié)構(gòu)設計，電機的兩個驅(qū)動定子與直流驅(qū)動電機關(guān)節(jié)共用一個驅(qū)動殼體,轉(zhuǎn)子的兩個主軸即為直流驅(qū)動電機關(guān)節(jié)的直流換向保護傳動軸，并共用一個驅(qū)動關(guān)節(jié)軸承。直流電機驅(qū)動關(guān)節(jié)無刷電機通過直接利用?個放置于直流驅(qū)動無刷電機內(nèi)部的霍爾傳感式元器件系統(tǒng)來驅(qū)動實現(xiàn)直流驅(qū)動電機換向，具有驅(qū)動電機直流驅(qū)動關(guān)節(jié)換向保護能力強，體積小、重量輕,過載安全保護驅(qū)動能力強等主要運動特點。L3設計主要內(nèi)容及安排本課題技術(shù)關(guān)鍵課題基礎研究中所涉及的電動控制關(guān)節(jié)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(guān)犍技術(shù)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(guān)節(jié)功能設計的一些重要關(guān)鍵技術(shù)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(guān)節(jié)。目前空間機械臂關(guān)節(jié)主要存在的技術(shù)難點有：(1)關(guān)節(jié)驅(qū)動/傳動/制動機構(gòu)與電氣控制系統(tǒng)分別獨立設計，造成關(guān)節(jié)機構(gòu)與控制系統(tǒng)間接線復雜，系統(tǒng)集成度與可靠性低；(2)為滿足機械臂末端操作需求，關(guān)節(jié)需要有較高的控制精度；(3)空間機械臂關(guān)節(jié)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(guān)技術(shù)基礎研究以及重點工作內(nèi)容主要包括為:重點研究突破開展采用控制體積小、質(zhì)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(guān)節(jié)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(tǒng)設計技術(shù)控制相關(guān)技術(shù)，為今后實現(xiàn)專用空間站相關(guān)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)及驅(qū)動控制子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機構(gòu)子系統(tǒng)、末端效應器子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、移動基座子系統(tǒng)、末端作業(yè)工具子系統(tǒng)、在軌操作控制子系統(tǒng)、地面遙操作控制平臺共8部分構(gòu)成。關(guān)節(jié)及驅(qū)動控制子系統(tǒng)由7個關(guān)節(jié)及其驅(qū)動控制器組成，7個關(guān)節(jié)分別安裝在機械臂的肩部、肘部與腕部，分別為肩滾轉(zhuǎn)、肩偏航、肩俯仰、肘俯仰、腕俯仰、腕偏航、腕滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)與臂桿和末端效應器連接，通過關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)機械臂三維空間運動。2功能需求分析.1系統(tǒng)的任務目標：(1)協(xié)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(shù)；(3)最大限度降低航天員作業(yè)風險，進行環(huán)境的安全檢查；通過對帶動機械臂關(guān)節(jié)總體運動任務性的需求和功能分析，機械臂帶動關(guān)節(jié)子控制系統(tǒng)主要具有控制關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度、位置、力閉環(huán)控制三種功能，可實現(xiàn)一定機械負載和工作精度條件要求下的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動；同時關(guān)節(jié)還系統(tǒng)可自動完成沒有斷電保護情況下的通電制動。2.2.2關(guān)節(jié)主要功能：(1)為機械臂提供操作負載與驅(qū)動能力；(2)為機械臂提供緊急制動功能，以及結(jié)構(gòu)保護和運動角度限制等功能；(3)實現(xiàn)機械臂的高精度測量和控制；(4)實現(xiàn)機械臂與中央控制系統(tǒng)間的信息交互功能；(5)關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)總體方案因為機電結(jié)合一體化驅(qū)動關(guān)節(jié)系統(tǒng)需要同時實現(xiàn)動力傳動、制動、驅(qū)動、驅(qū)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(diào)節(jié)控制器的信號必須具有信息采集和進行數(shù)據(jù)通訊等多種重要技術(shù)功能,，同時關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)具備足夠的環(huán)境適應性和可靠性。為了克服這些難點，機電一體化關(guān)節(jié)的集成設計步驟主要包括如下幾步：(1)以調(diào)研為基礎，確定機電一體化關(guān)節(jié)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(jù)實際的功能要求和性能參數(shù)分配零件的性能指標，要仔細核對關(guān)節(jié)內(nèi)所有位置零部件的尺寸和接口；(3)進行關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣控制硬件的設計；(4)設計關(guān)節(jié)的控制算法,并編寫相應的控制軟件；(5)完成關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和相應軟件的生產(chǎn)后，要對關(guān)節(jié)的性能和功能進行測試。3、關(guān)節(jié)控制研究機械臂控制系統(tǒng)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(jù)制定的運動軌跡，控制機械臂平穩(wěn)準確地到達目標位姿，并根據(jù)任務需要完成機械臂末端執(zhí)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(guī)劃功能、力控制功能、支持手動控制功能。機械臂控制結(jié)構(gòu)機械臂是一個6自由度位姿輸入和7自由度關(guān)節(jié)輸出的多輸入多輸出系統(tǒng),是一個復雜的串聯(lián)動力學系統(tǒng)?？臻g站點機械臂系統(tǒng)具有較為輕質(zhì)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(wěn)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(tǒng)控制的操作難度，將機械臂系統(tǒng)分解成作為單獨的輸入單元和輸出關(guān)節(jié)控制，忽略各個控制關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)控制模式關(guān)節(jié)控制主要依據(jù)中央控制器指令實現(xiàn)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(guān)鍵位置關(guān)節(jié)速度電流控制系統(tǒng)工作原理模式下，關(guān)節(jié)位置速度電流控制管理單元驅(qū)動系統(tǒng)通過電機接收末端電機驅(qū)動中央關(guān)節(jié)速度電流控制器上的四個位置關(guān)節(jié)速度控制指令，采用電機實現(xiàn)式的位置、速度、電流三閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),控制管理單元與各環(huán)路根據(jù)實際設置速度分為四個位置關(guān)節(jié)速度電流控制器、速度關(guān)節(jié)電流傳感控制器、電流關(guān)節(jié)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(qū)動機構(gòu)汽車驅(qū)動中的末端電機控制單元位置、關(guān)節(jié)速度控制單元轉(zhuǎn)速及電機驅(qū)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(guān)節(jié)速度控制管理單元與各環(huán)路間的閉環(huán)控制信號反饋。3.3.2速度控制模式在速度控制模式下，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)接收中央控制器速度指令，采用速度、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制環(huán)路設置速度控制器、電流控制器，通過傳感器采集并計算關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速及電機等效交軸電流，作為兩控制環(huán)路閉環(huán)反饋。3.3力矩控制模式力矩控制模式為系統(tǒng)柔順控制的備份模式，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)接收中央控制器力矩指令，采用力矩、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制環(huán)路設置力矩控制器、電流控制器，通過傳感器采集并計算關(guān)節(jié)輸出力矩及電機等效交軸電流，作為兩控制環(huán)路閉環(huán)反饋。4關(guān)節(jié)控制方法4.1關(guān)節(jié)模型機電一體化關(guān)節(jié)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(zhuǎn)彈簧等效。由于系統(tǒng)控制會受到摩擦和外界干擾的影響，因此首先建立關(guān)節(jié)系統(tǒng)的力學模型。根據(jù)該模型,可以對后續(xù)矢量控制等參數(shù)進行計算設置。K4R+m(4)+k0=才盤其中，0L表示關(guān)節(jié)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(zhuǎn)彈簧的剛度系數(shù),N表示減速比,M