一种被动三自由度变刚度柔性基座设计_赵庆刚

１ 设计指标分析
由于宏臂 的 臂 杆 跨 度 大 ， 具 有 较 大 的 柔 性， 整 个宏臂的 柔 性 其 实 是 关 节 柔 性 与 臂 杆 柔 性 相 互 耦 合的结果 ， 因 而 整 个 宏 臂 的 刚 度 是 非 线 性 的， 只能 通过软件仿真或者 试 验 的 方 法 进 行 测 量 ， 由于试验 难度较大 ， 因 而 采 用 软 件 仿 真 的 方 式 进 行 测 量， 分 别对宏臂末端施加 六 个 自 由 度 方 向 的 单 位 力 ， 取其 变形为依据计算宏臂刚度 。 为了便于机构 设 计 ， 从变形角度去描述结构刚 度， 定义机构受单位 力 作 用 下 的 变 形 阵 为 机 构 的 刚 度阵 。 由于机构最 终 模 拟 的 是 大 臂 的 刚 度 特 性 ， 因 而不能直 接 选 取 变 形 阵 中 的 部 分 变 形 作 为 设 计 依 据， 否则将导致机 构 刚 度 不 再 是 大 臂 实 际 刚 度 。 选 取需要模拟的刚度 阵 ， 运用求逆的方式求得变形形 式的等效刚度阵 。 由 于 地 面 条 件 的 限 制 ， 难以实现 六自由 度 的 模 拟 ， 只能在气浮平台上进行实物模 拟， 因此 ， 试验用三自由度 变 刚 度 柔 性 基 座 选 择 Ｘ Ｙ 直线刚度以及Ｚ 转动刚度作为机构设计的依据 。 根据对宏臂的 分 析 可 知 ， 所设计的应该是一种 多自由度 、 变刚度 、 强耦合的柔性基座 。
［ ４］
之下增加一增速机 构 以 实 现 行 程 放 大 ， 以达到要求 的转动与 平 动 之 间 的 耦 合 。 由 于 宏 臂 在 微 臂 工 作 过程中 ， 主要 发 生 平 动 位 移， 因而整套方案中着重 实现平动位移的复现 ， 转动存在一定误差 。 机构三维模型如图 １ 所示 ， 机构分为 ３ 层 ， 上下 两层为两带有变刚 度 机 构 的 二 维 运 动 平 台 ， 上层搭 载杠杆式 平 动 变 刚 度 机 构 实 现 一 平 动 自 由 度 变 刚 度要求 ， 下层 搭 载 悬 梁 式 转 动 变 刚 度 机 构， 实现转 动自由度 与 另 一 平 动 自 由 度 的 变 刚 度 要 求 。 中 间 为增速机构 ， 由 于 柔 性 基 座 实 际 的 转 角 很 小， 对于 转动精度要 求 较 高 ， 相 对 于 齿 轮 机 构， 钢带轮机构 不存在回 程 误 差 ， 因 而 采 用 钢 带 轮 二 级 增 速 机 构。 钢带轮增速机构与 上 下 二 维 平 台 固 定 在 一 起 ， 同时 发生平动 ， 避免转动时整个增速机构都随着转动 。
%&’( )*+,
-./0 123
:;<
=&’( )*+, >?6@* 78923
变电边界 条 件 可 以 改 变 结 构 的 刚 度 。 形 状 记 忆 金
收稿日期 ： ０ ２ ０ １ ６ ４ ７ ２ － － ） ， ， 男， 山东青岛人 ， 男， 黑龙江齐齐哈尔人， 赵庆刚 （ 硕士研究生 ， 研究方向为空间机器人技术 ； 黄 丛 （ 工程师， 作者简介 ： ９ ９ １ ９ ８ ５） １ １ 研究方向为系统工程设计 。
第３ ４卷 第６期 ２ ０ ６年６月 １
ＭＡ ＣＨ Ｉ Ｎ Ｅ Ｒ Ｙ ＆Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ ＯＮ Ｉ Ｃ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４Ｎ ｏ ． ６ Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ６
一种被动三自由度变刚度柔性基座设计
赵庆刚１ ， 黄 丛２ ， 敬 铮２ ， 张耀文１ ， 谢宗武１ （ 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室 ， 黑龙江 哈尔滨 １ １． ５ ０ ０ ０ １； ） 中国空间技术研究院载人航天总体部 ， 北京 １ ２． ０ ０ ０ ９ ４ 摘 要： 在 一 些 大 型 航 天 器 上， 为 扩 大 机 械 臂 的 工 作 空 间， 往 往 采 用 宏 微 臂 组 合 的 方 式。当 微 臂 工 作 ， 。 时 宏臂相当于微臂的柔性基座 针对这种宏微臂串联组合方式 ， 设计一种被动三 自 由 度 来 模 拟 宏 臂 ， 用于 微臂的地面试验 。 柔性基座实现了三自由度之间的耦合 ， 且采用不同的原理实现了三 自 由 度 方 向 刚 度 的 可 调性 。 对柔性基座进行了刚度特性分 析 ， 得 到 了 其 变 形 角 度 的 刚 度 阵， 并 对 其 刚 度 阵 进 行 了 分 析。为 柔 性 基座机械臂的动力学研究提供了实验平台 。 关键词 ： 柔性基座 ； 变刚度 ； 耦合 （ ） 中图分类号 ： ２ ０ ０ １ ２ ２； ＴＨ １ ２ ８ 文献标识码 ： ０ ０ １ ２ ５ ７ ２ ０ １ ６ ０ ６ ０ ７ ６ ５ ＴＨ Ａ 文章编号 ： １ － － －
（ ，Ｈ ； １． ａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ０ １， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｏ ｆ Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ，Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ ｇ ｙ ｙ ｙ ） ， １ ０ ０ ０ ９ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ ２． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｍ ａ ｎ ｎ ｅ ｄ Ｓ ａ ｃ ｅ Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｊ ｇ ｐ ｙ ｇ ｇ
２］ 。 对于不同的任务 ， 宏臂会有不同的构型 ， 刚度 态［
０ 引言
空间机械 臂 具 轻 质 、 大 跨 度 的 特 点， 适应太空 作业环境 ， 采用空间 机 械 臂 协 助 或 替 代 宇 航 员 进 行 舱外作 业 ， 在经济性和安全性方面都具有重要意 义
［ １］
特性也不 相 同 。 由 于 宏 臂 臂 杆 跨 度 较 长 具 有 较 大 的柔性 ， 以及 关 节 柔 性 的 存 在， 宏臂相当于微臂的 柔性基座 。 对于变刚 度 机 构 的 研 究 工 作 已 经 取 得 一 定 的
! "#$ 456+* 78923
／ 杆原理的 ＡｗＡ Ｉ Ｉ Ｓ Ｉ －
［ ］ ４ ５ －
。
现有的变 刚 度 机 构 多 数 为 主 动 或 半 主 动 变 刚 度机构 ， 控制算法 复 杂 ， 时 延 较 为 严 重， 不能实时模 拟宏臂位姿 ， 自由 度 单 一 ， 难 以 实 现 多 自 由 度 耦 合。 而被动变刚 度 机 构 易 于 实 现 ， 刚 度 变 化 范 围 大， 适 用于高频振动 ， 可 以 实 现 多 自 由 度 耦 合。 对 宏 臂 进 行刚度特性 分 析 ， 得 到 柔 性 基 座 设 计 指 标， 研制一 种被动式地面试验用度变刚度柔性基座设计
智能工程
属（ 具 受 热 时， 弹 性 模 量 会 发 生 改 变， 在其金 Ｓ ＭＡ） 属结构上 会 产 生 可 逆 的 变 化 。 利 用 形 状 记 忆 合 金 的这种 特 性 ， 可以制成一个变刚度弹簧 Ｗ ｉ ｌ ｌ ｉ ａ ｍ ｓ 从而得到一个变刚度机构 。 Ｉ Ｔ 研制了基于杠 Ｋ ， Ｉ
３］ ， 通过改 成果 。 使用压电 陶 瓷 元 件 作 为 刚 度 元 件 ［
。 某航天器之上装有 ２ 条 机 械 臂 ， 宏臂长达１ ０
微臂长达 ５ ｍ。 宏 微 臂 存 在 独 立 工 作 与 串 联 工 ｍ， 作两种工作 状 态 ， 为 增 加 机 械 臂 的 工 作 空 间， 满足 多样的操作任务 ， 将具有灵巧操作末端执行器的微
： Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｃ ｒ ｏ ｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ａ ｎ ｉ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｎ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｅ ｘ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｓ ａ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｓ ｏ ｍ ｅ －ｍ ｐ ｙ ｐ ｇ ｐ ， ｌ ａ ｒ ｅ ｓ ａ ｃ ｅ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ ｓ ．Ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ａ ｒ ｍ ｉ ｓ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｈ ｅ ｍ ａ ｃ ｒ ｏ ｍ ａ ｎ ｉ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｅ ｕ ｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｔ ｏ ａ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｇ ｐ ｇｔ ｐ ｑ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ３ｄ ｏ ｆ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｃ ｒ ｏ ａ ｒ ｍ ｆ ｏ ｒ ｕ ｓ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ａ ｎ ｉ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ．Ａ ｐ ｇ ｐ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｍ ａ ｎ ｉ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｄ ｅ ｒ ｅ ｅ ｓ ｇ ｐ ｐ ｇ ｇ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ ａ ｎ ｄ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｄ ｅ ｒ ｅ ｅ ｓ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｐ ｐ ｇ ｙ ｇ ｍ ａ ｔ ｒ ｉ ｘ ｉ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｂ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ．Ａ ｎ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ － ｙ ｙ ｙ ｇ ｐ ｍ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ ｔ ｕ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｎ ｉ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｗ ｉ ｔ ｈ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ． ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｓ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｐ ｐ ｙ ｙ ｐ ： ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ｐ ｇ ｙ 臂固定在宏臂的末 端 ， 宏臂作为微臂的基座可以带 动微臂 到 期 望 的 区 域 ， 再通过微臂的运动调整姿
ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ ａ Ｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ３ ｄ ｏ ｆ Ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂ ｌ ｅ Ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ Ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ Ｂ ａ ｓ ｅ Ｄ ｇ
１ ２ ２ １ １ ， Ｈ Ａ Ｏ Ｑ ｉ ｎ ａ ｎ Ｕ Ａ Ｎ Ｇ Ｃ ｏ ｎ Ｉ Ｎ Ｇ Ｚ ｈ ｅ ｎ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｙ ａ ｏ ｗ ｅ ｎ Ｉ Ｅ Ｚ ｏ ｎ ｗ ｕ Ｚ Ｈ Ｊ Ｚ Ｘ ｇ ｇ ｇ， ｇ， ｇ， ｇ