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[原创] 空间站7自由度机械臂机构简图和运动仿真

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大校

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发表于 2021-9-7 08:25:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

开始本篇文字前,先来看几张网络上空间站机械臂的动图,见图1,图2,图3。


spacearm1.gif


图1 机械臂进行舱表爬行转移(图片来源于网络)



spacearm2.gif


图2 机械臂转位实验舱开展空间站建造任务(图片来源于网络)



spacearm3.gif


图3 机械臂辅助航天员出舱活动(图片来源于网络)



分析上面机械臂的机构,在草图中绘制图4所示的机械臂机构简图。


spacearm4.gif


图4 机械臂机构简图



从机构简图可以看出,机械臂左右对称,两末端的蓝色点表示末端执行器的原点,其余7个蓝色点则是7个旋转副的原点。


为了仿真需要,图4简图中间的运动副上有一个额外的洋红色竖直线,用于创建辅助连杆,下面文字会讲到具体用途。


根据图4模型,在运动仿真模块,创建连杆(9个连杆),其中8个是机械臂部件连杆,1个是辅助连杆(洋红色竖直线);创建运动副(8个旋转副+1个平行副),其中7个旋转副是由机械臂相邻部件两两构成,还有1个旋转副,则是由辅助连杆与其任意一侧相邻的连杆构成,并且该连杆与大地构成1个平行副。


不考虑辅助连杆和辅助旋转副,平行副的情况下,若左侧的执行器与基座锁定连接,此时机械臂有7个自由度,我们通过给右侧执行器添加连杆驱动,约束机械臂6个自由度,此时机械臂还剩1个自由度,从图4可以看出,当左右两端的执行器均固定时,此时机械臂中段两连杆仍能沿着X轴转动,而添加了平行副的辅助连杆,始终沿着绝对坐标系的Z轴竖直向上(限定了其绕X和Y轴的运动),竖直向上的辅助连杆通过旋转副与机械臂中间运动副相连,限定了机械臂中段两连杆沿X轴旋转的自由度,使得整个机械臂全约束。


执行器要在空间实现6自由度控制,则需要使执行器能沿X,Y和Z轴平移,且能绕X,Y和Z轴旋转,接下来我们按这个思想,在Excel表格中规划机械臂执行端的仿真路线和动作,如图5所示。


spacearm5.png


图5 Excel表格中规划的执行器的路线和动作数据



这里说明一下,左执行器的坐标数据,其坐标系原点是左执行器的原点,右执行器的坐标数据,其坐标系原点是右执行器的原点。


在Excel中利用其函数可以合成AFU函数和step函数,用于通过函数控制左右两执行器的动作,实现规划的路线和动作,如图6所示。


spacearm6.png


图6 Excel表格合成的AFU函数和step函数



对左右执行器分别添加连杆驱动,并按Excel表格的规划,创建对应的函数,并将Excel合成出的函数粘贴至对应的函数编辑器中。


给出解算方案,时间为23s,步数为230,重力方向为-ZC。


求解,并查看动画进行验证,如图7所示。


spacearm7.gif


图7 机械臂两执行器在空间按规划的路线和动作进行运动



Ps:图7中的除机械臂模型外,其余的线条和点均为方便观察机械臂的仿真运动而创建,另外本案例所讲驱动采用连杆驱动,源文件同时也采用了3柱面副驱动的方式,仿真结果一样,详情可以参阅源文件。


SpaceArm.rar (263 Bytes, 下载次数: 67)

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少将

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发表于 2021-9-7 09:15:02 | 显示全部楼层
我的程度就只能画出大佬用来示意的这个草图
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少将

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活跃会员

发表于 2021-9-7 09:26:03 | 显示全部楼层
如果某天我们人类能实现把意识转移到机器人上  那么人类的寿命问题 知识的积累问题   个体应为寿命限制能达到的高度 以及 能量补充问题 生存环境适应问题 都能够解决  人人都是科学家   遨游太空 去任何一个星球居住都有可能
用三体里的话说 叫做“上岸” 话说科学+科幻写出来的东西真是可怕 我至今没有勇气去看第二遍
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大校

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发表于 2021-9-7 17:56:52 | 显示全部楼层
很棒的仿真,谢谢分享!
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上等兵

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发表于 2021-9-9 14:54:52 | 显示全部楼层
微信图片_20210909145143.png E:\0UG\太空机械臂大哥,这是什么情况

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二级士官

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发表于 2021-9-11 15:10:55 | 显示全部楼层
看了这个,我又找到我的目标了,膜拜!
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爱好者VIP1

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发表于 2021-9-16 10:21:17 | 显示全部楼层
打不开呀,有大哥知道为啥吗
QQ截图20210916101253.png
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