《项目开题报告》word版.doc

I 月球车操作手设计月球车操作手设计 开题报告开题报告 项 溪 杨 兰 张 楠 张雅婕 谢嘉一 盛文佳 奥斯卡 2011 年 3 月 25 日 II 目录目录 1 研究背景研究背景.3 1.1 国外研究现状.3 1.1.1 Rocky7的机械臂.3 1.1.2 Nomad上的机械臂.3 1.1.3 Marsokhod上的机械臂.4 1.1.4 MER上的机械臂.5 1.1.5 MSL上的机械臂.5 1.2 国内研究现状 .6 1.2.1中国空间技术研究院.6 1.2.2中国科学院.6 1.2.3上海航天局.7 2 技术方案的总结技术方案的总结.7 2.1 关节手爪结构.7 2.2 功能转换结构.8 2.3 机械臂折叠结构.9 2.4 单驱动两自由度机械臂专利.10 2.5 两自由度岩石研磨机构专利.16 2.6 一种探测作业的三自由度机械臂机构.23 3 设计方案设计方案.30 4 项目时间规划项目时间规划.30 5 预计成果预计成果.30 6 参考文献参考文献.31 3 1 研究背景研究背景 1.1 国外国外研究现状研究现状 1.1.1 Rocky7 的机械臂的机械臂 Rocky7 是美国 JPL 于 1997 年开发用于验证自治技术的一种漫游车。它配备的机械臂是一个 2 自由度的轻型机械臂，重 650g，长 32cm，装在漫游车的前端，能够达到地面以下 10cm。如图 1-1 所示。 图 1-1 Rocky7 1桅杆 2摄像头 3太阳能板 4车身 5采样臂 6主摇臂 7副摇臂 8驱动轮 9惰轮 该机械臂携带一个 2 自由度的铲子机构，用于挖掘或者运输样品。机械臂展开时能够进行 3 种 不同的操作：挖掘、倾倒以及质谱仪数据获取。 1.1.2 Nomad 上的机械臂上的机械臂 Nomad 是美国卡内基-梅隆大学研制的、用于月球探测的机器人，在南极陨石考察中，专家们 对其移动、控制等技术进行了验证。为了精确放置科学传感器，Nomad 配备了一个机械臂。该机械 臂有 3 个自由度，采用了 SCARA 配置，包括 2 个旋转关节和 1 个移动关节。其具体指标如下：臂 展最大长度为 1.5m，最大负载为 2.5kg，最小精度 0.5cm。如图 1-2 所示。 4 图 1-2 SCARA SCARA(Selective Compliance Assembly Robo Arm，中文译名：选择顺应性装配机器 手臂)是一种圆柱坐标型的特殊类型的 工业机器人 。 1978 年，日本山梨大学牧野洋发明 SCARA，该机器人具有四个轴和四个运动自由度 ， (包括 X，Y，Z 方向的平动自由度和绕 Z 轴的转动自由度 )。该系列的操作手在其动作空间的 四个方向具有有限刚度 ，而在剩下的其余两个方向上具有无限大刚度。 1.1.3 Marsokhod 上的机械臂上的机械臂 Marsokhod 是俄罗斯和 Arms Research Center 共同开发的一款漫游车，此车准备先探测月球， 再探测火星。该车采样和操作仪器的工具是一个 5 自由度机械臂和一个圆盘转动式工具盘，还有一 个彩色相机固定在机械臂末端执行器上。该机械臂上的彩色相机能够完成分辨率为 0.08mmpixel 的近景成像、土壤机械特性测试和样品获取等功能。车前的固定立体相机用于辅助机械臂定位。该 机械臂是由 Mac Donnell Douglas 开发，最远伸展距离可达 1m。旋转平台能够容纳 3 种仪器和一个 采样器，机架的底端能够打开，从而接近目标。圆盘传动装置通过一个 6 维力传感器与机械臂相连， 这个传感器能够感知目标表面或障碍。使用力传感器，机械臂仅用 2 个命令就能完成定位一个接触 表面：一个是移动机械臂到目标位置，另一个是监控运动直到接触目标表面。如图 1-3 所示。 5 图 1-3 Marsokhod 1.1.4 MER 上的机械臂上的机械臂 美国 2003 火星车上配备的机械臂是由 ASI 公司设计并制造，如图 5 所示。该机械臂携带四种科 学仪器：显微成像仪、 质子 x 射线光谱仪、穆斯堡尔光谱仪和岩石打磨工具。这 4 种科学仪器装 配在手臂的末端，沿转塔对称布局。2004 年，该机械臂随成功登陆的机遇号和勇气号火星车，出色 完成任务，具有很高的借鉴价值。如图 1-4 所示。 图 1-4 MER 1.1.5 MSL 上的机械臂上的机械臂 火星科学实验室(Marssciencelaboratory-MSL)是美国 NASA 火星探测计划的一部分，该计划采 用机器人对火星进行长期探测，发射时间是 2009 年秋。MSL 是一款高性能的火星表面漫游车，通 过它能够评估火星的过去、现存以及火星上是否有生命等科学目标。如图 6 所示，该漫游车上安装 有一个机械臂，其前端携带的有效载荷包括：一个铲子(scoop)、研磨器(abradercorer)、光谱仪 APXS 等。机械臂主要用于辅助仪器完成样品获取，加工和处理。如图 1-5 所示。 图 1-5 MSL 6 1.2国内国内研究现状研究现状 1.2.1 中国空间技术研究院中国空间技术研究院 由中国空间技术研究院牵头，联合哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化所等单位，于 2006 年 5 月研制出了一种月球车原理样机。该样机上的机械臂子系统由中科院沈阳自动化所研制，机械臂有 5 个自由度，具有折叠和展开功能，伸展长度为 0.8m，最大负载为 2kg，重复定位精度为1mm， 分别在北京和宁夏进行了内场和外场实验。如图 1-6 所示。 图 1-6 中国空间技术研究院研制的月球车原理样机 1.2.2 中国科学院中国科学院 由中科院沈阳自动化所作为项目牵头单位，联合中科院国家天文台、中科院空间中心、中国科 技大学和中科院电子所等单位，于 2006 年 10 月研制出了一种月球车原理样机。该样机上的机械臂 子系统由中科院沈阳自动化所研制，伸展长度为 0.8m，最大负载为 2kg，重复定位精度为1mm。 如图 1-7 所示。 图 1-7 中国科学院研制的月球车原理样机 7 1.2.3 上海航天局上海航天局 由上海航天局牵头，联合上海交大、哈尔滨工业大学、沈阳自动化研究所、国防科技大学等单 位，于 2007 年 3 研制出了一种月球车原理样机。该样机上的机械臂有 5 个自由度，具有折叠和展开 功能。如图 1-8 所示。 图 1-8 上海航天局研制的月球车原理样机 2 技术方案的总结技术方案的总结 2.1 关节手爪结构关节手爪结构 单动力源驱动手爪的五指多关节结构，其结构如图 2-1 所示。 图 2-1 五指十五关节手爪结构原理 1-直流电机 2-谐波减速器 3-丝杆 4-螺母 5-连杆 6-弹性支 7-第一指节 8-拨杆 9-拨杆 10-第二指节 11-第三指节 12-导向杆 8 直流电机 1 经谐波减速器 2 减速后带动丝杠 3 旋转，使螺母 4 在导向杆 12 中上下移动，螺母 4 带动五根连杆 5 使五个手指的第一指节 7 转动，手指安装在弹性支座(手掌)6 上，弹性支座 6 上另 有五根固定拨杆 8 插入各手指的第二指节 10 上端的凹槽中，使第二指节在第一指节旋转时能同时绕 第一、第二指节间的关节轴转动，而第一指节 7 下端装有固定拨杆 9 插入第三指节 11 上端的凹槽中， 使第三指节同时随第一、第二指节的转动而绕第二、第三指节间的关节轴转动，从而形成三个指节 联动抓握或放开目标物体。其抓握原理如图 2-2(a)所示。 图 2-2 五指十五关节手爪抓握原理 当抓取的目标物各边形状与手爪中心不对称时，每个手指各关节的弯曲程度可以不同，手爪对 被抓物体的形状具有适应性。先接触物体的手指其指关节产生较大的抗力而不能弯曲，当螺母带动 连杆 5 继续上移时，该手指的弹性支座 6 将向上翘起使手指不再弯曲，而其他未接触到物体的手指 将继续弯曲，直到每一个手指都接触物体，如图 2-2(b)所示。 2.2 功能转换结构功能转换结构 在实现机械手的功能转换时，主要是参考换刀机械手。如图 2-3 所示。 图 2-3 换刀转换器结构 1-凸轮机构 2-导轨 3-气缸 4-伺服电动机 5-联轴器 6-伺服电动机 9 伺服电动机 6 直接驱动换刀手，伺服电动机 4 通过联轴器直接驱动轴 II 运动。其运动过程如下:换 刀手由气缸 3 推动在导轨上运动，由准备位置 B 移至位置 A，当主轴退出刀杆后，在伺服电动机 6 的驱动下，换刀臂和联接体实现一起绕轴 I 转动 180，主轴箱复位，刀杆插入主轴，卡爪松开后， 气缸 3 将换刀手拉回至位置 B(此时，主轴已开始工作，下述换刀动作为辅助运动，与工件加工同步 进行)，由凸轮机构 1 带动导轨以上的机构由 B 运动到 C、D、E 而将刀具插入刀库中，然后凸轮机 构 1 使它们运动到位置 B。刀库转动，将所需刀具转至位置 E，导轨以上的机构再在凸轮机构 1 的 作用下由位置 BEDCB 完成取刀过程，此时，换刀手夹持着新刀具在准备位置 B 待命。至 此本轮换刀结束，待接到新的换刀命令后，重复上述过程。当主轴转至卧式位置，需要卧式换刀时， 伺服电动机 4 通过联轴器 5 带动轴 II 及伺服电动机 6 和手臂联接体使刀具转动 90至卧式换刀位置， 其他过程与上述立式换刀过程相同。 2.3 机械臂折叠结构机械臂折叠结构 机械手结构采用折叠式的设计方案。对比爬壁机器人的折叠式功能，该方案只是单纯对折叠式 功能的简介，并未与其他功能相互协调使用。如图 2-3 所示。 图 2-3 爬壁机械手结构 对比人的手臂有肩、肘和腕三个关节，共六个自由度，机械手的设计以模仿人的手臂功能为基 础，再根据实际情况进行简化。由于运载小型车和爬壁机器人均可在自身运动的平面上移动和转动， 所以可省略机械手臂肩部和腕部的横向运动，故此机械手仅需四个自由度，即大臂和腕部各有一个 10 摆动自由度，小臂有两个自由度，可使其摆动和有限的转动，并且小臂可以折回大臂间的空隙，工 作时可以展开，机械手末端执行器采用分叉式结构。 2.4 单驱动两自由度机械臂专利单驱动两自由度机械臂专利 11 12 13 14 15 16 2.5 两自由度岩石研磨机构专利两自由度岩石研磨机构专利 17 18 19 20 21 22 23 2.6 一种探测作业的三自由度机械臂机构一种探测作业的三自由度机械臂机构 24 25 26 27 28 29 30 3 设计设计方案方案 在行星表面探测作业时，机械臂作为操作科学仪器的一种有效载体，被应用于星球探测作业中， 完成操纵有效载荷如铲子、抓取机械手、研磨器、光谱仪、显微成像仪等，从而辅助完成定位、探 测、采样、抓取、搬运等作业任务。 月球车上需要安装一个三自由度或四自由度的可折叠的机械臂，它能够采集月球表面矿石和土 壤标本以满足探测的需要。 根据不同的科学探测目标和任务要求，漫游车搭载的机械臂的自由度有所不同，通常为 27 个 自由度不等。我们设计的机械臂共有 5 个自由度，由一个肩部、一个肘部和一个腕部组成，其中肩 部有两个关节，一个肩方位关节用于完成水平方位运动，一个肩提升关节用于完成垂直提升。肘部 有一个关节，完成辅助提升。腕关节的两个驱动器分别提供腕部转塔的俯仰和旋转。该机械臂携带 四种科学仪器：挖掘、研磨、探测、抓取。机械臂采用 5 自由度构型，每个自由度分别由一个独立 的电机及自制的减速装置驱动，其中肩部设计为两个自由度，一个自由度完成水平面内的水平旋转 运动，另一个自由度完成铅垂面内的垂直提升，肘部设计为一个自由度，用于辅助完成空间运动， 腕部设计为两个自由度，一个自由度能够完成空间垂直运动，辅助调整前端仪器姿态；另一个自由 度能够完成水平面内的旋转，通过旋转带动一个类似于餐桌转台的机构就能够实现不同仪器的切换。 5 个自由度协同运动，就能够共同完成将仪器单元移向目标或从目标上撤离的任务。该机械臂具有 折叠和展开功能。 4 项目时间规划项目时间规划 时间工作内容 第五周末完成项目开题书面报告 第十一周末完成中期检汇报 第十六周五 项目结题汇报 (全部的三维 CAD 模型，虚拟样机建模与仿真报告) 5 预计成果预计成果 通过创新性设计参考前人的文献，加上我们的创新性思维，以三维 CAD 模型，虚拟样机建模 与仿真，我们计划实现：1)它能够挖掘出我们需要的月球表面矿石和土壤标本。2)将我们所需要的