輕質采樣機械臂設計與分析

陳引生++崔勇++劉蘊青++王燕

摘 要：土壤采樣機械臂是深空著落探測器進行采樣探測的必要機構。根據深空探測的環境要求，設計出滿足結構強度的高可靠性的輕質機械采樣臂，采用一個旋轉關節和兩個移動關節組成三自由度方案。對移動關節和旋轉關節進行設計，對采樣加熱組件進行設計。對采樣機械臂系統作運動學分析，采用D-H法建立系統運動模型，設置各關節坐標系，推導出各坐標系之間的坐標變換矩陣以及坐標向量矩陣，得到運動學正解和運動學逆解方程，為后續的分析及研究做準備。

關鍵詞：采樣機械臂 D-H坐標 運動學正解 運動學逆解

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0012-03

輕質土壤采樣分析機器人是當前航天探測領域研究的一個熱點。它一般采用履帶式或者特殊輪式著落車加裝機械臂的結構，能自主的完成采樣及分析作業。機械臂是機器人作業的主要執行機構，一般是由一系列連桿通過轉動或者移動關節串聯而成的空間機構[1]。機械臂的運動學正解、逆解是進行機械臂末端執行器路徑規劃、各關節運動運動控制以及機械臂的動力學分析的關鍵。設計高可靠性的輕質土壤采樣機械臂，給出其運動學正解以及運動學逆解，為后續的分析調試提供基礎。

1 結構設計

1.1 方案設計

功能上采樣機械臂固定于著落車上，根據指令進行的轉動、升降以及鉆頭的旋轉、升降來成土壤的采樣任務，通過加熱倉完成加熱任務，為后續的科學研究做準備。結構設計上要求機械臂在滿足強度的情況下，裝備質量盡可能輕，材料能夠滿足大范圍溫差。因此結構設計上采用由一個旋轉關節與兩個移動關節組成的三自由度機械臂，如圖1所示。

系統由三連桿構成，連桿1繞關節1旋轉，連桿2與絲杠1相連接，通過絲杠與螺母的配合，完成連桿2的伸出與收回，采樣組件通過移動關節3與連桿2連接，末端執行器采用鉆頭通過絲杠2旋轉完成取樣。

1.2 旋轉關節結構設計

旋轉關節一端與基座連接固定于著落車上，另一端連接手臂1。電機通過電機連板與一級軸座連接到一起，通過緊定螺釘將電機輸出軸和一級轉軸連接，使其同步轉動。深溝球軸承61800右邊采用軸肩定位，左側有定位套，軸承61801左側利用軸肩定位，右側則由一級轉軸定位。一級套筒通過三個定位銷與一級轉軸連接，二者同步轉動，如圖2所示。

1.3 移動關節結構設計

平移關節主要由一級套筒、傳動絲杠、固定螺母、一級滑套、導向鍵以及定位銷等組成，一級套筒通過三個定位銷與旋轉關節的一級轉軸固定連接，帶動下游機構隨轉軸選擇而轉動。電機通過緊固螺釘固定于一級套筒的末端，傳動絲杠通過緊定螺釘與電機轉軸連接，同步旋轉運動。傳動絲杠、導向鍵以及固定螺母組成一個螺旋傳動機構，這樣電機的旋轉運動就轉變成一級滑套的直線運動。一級滑套通過二級滑套連接塊與二級滑動組件相固定連接。如圖所示。

1.4 采樣組件結構設計

采樣組件主要由采樣絲杠、采樣套、鉆頭、加熱板等組成，采樣絲杠與采樣套之間過盈連接，電機的轉矩通過傳動銷將轉矩傳遞給采樣套及鉆頭，為保證傳動銷的強度及剛度，傳動銷采用鈦合金材料制造。為保證加熱時能量散發緩慢、加熱腔保溫效果，采樣套材料選取輕質絕緣絕熱材料，而加熱板采用氧化鎂粉棒基質柱形電熱筒纏繞電阻絲通電后發熱的方式。鉆頭末端有螺旋線型刃口，方便土壤的鉆取。為減輕機構的質量，鉆頭以及采樣套采用中空結構。

2 運動學分析

2.1 D-H坐標模型

為描述末端執行器在空間的位置和姿態，可以在每個關節上建立一個坐標系，利用坐標系，利用坐標系之間的關系來描述末端執行器的位置[2]。采用D-H坐標系設立原則，建立本機械采樣的坐標系，如圖5所示。

轉動關節0固定在著陸車上，連桿1與旋轉關節0相連接，移動關節1鏈接連桿1和連桿2，移動關節2連接連桿2和連桿3。基坐標系建立在著陸車上，連桿坐標系建立在連桿1的末端，連桿坐標系建立在連桿2的末端，末端執行器坐標系建立在連桿3的末端，4個坐標系都在同一平面，即各個坐標系沿z軸方向投影相對位置差為零。各連桿參數及關節變量如表1所示。

2.2 運動學正解

對于給定的一個機器人，已知桿件幾何參數和關節變量，求解末端執行器相對于給定坐標系（總體坐標系）的位置和姿態，被稱為運動學正問題[3]。

通過求機器人相鄰連桿之間的變換矩陣，就能夠求出機器人末端相對于基座標的位置。變換矩陣把機器人位姿從關節空間變換為直角坐標空間[4]。根據齊次坐標變換方法，相鄰關節坐標系變換關系用A矩陣來描述，對于有連桿關節型機器人手臂來說，其手部坐標系，相對于基坐標系的總變換關系可表示為。

將連桿及關節參數代入，得到各個關節變換矩陣。

2.3 運動學逆解

在已知桿件幾何參數的情況下，給定末端執行器相對于基坐標系的期望位置和姿態，求使末端執行器達到期望位姿時所對應的關節變量，被稱為運動學逆解[5]。這是對機械手臂控制的基礎，可以根據正解結果，反求出逆解問題。

由前文已知

（1）求上式等式兩邊矩陣相等，對應元素也相等，即

故

同樣還可以得出

這是因為機械手臂只有一個旋轉關節，其運動都是在同一平面內的進行。

（2）求、 同理，根據正解結果，有

得出

式中，，注意，這里只能求出與之和，這是因為機械手臂有兩個平移關節，且其平移沿同一直線方向，總移動距離為兩關節移動矢量之和，在末端執行器路徑規劃時優先值的大小。

3 結語

針對采樣機械臂特殊工作環境要求，設計出一種基于3自由度的輕質采樣機械臂，采用D-H方法建立該機械臂的運動坐標系，求解出運動學正解以及運動學逆解，為后續的機械臂運動控制器設計提供理論依據。

參考文獻

[1] 趙亮亮，馬振書，穆希輝，等.危險作業機器人機械臂設計及其運動分析[J].機械設計與制造，2011（8）：155-157.

[2] 孫亮，馬江，阮曉鋼.六自由度機械臂軌跡規劃與仿真研究[J].控制工程，2010（5）：388-392.

[3] 侯國柱，湯學華.三自由度機器人手臂的運動學可視化求解研究[J].機械工程與自動化，2009（5）：7-11.

[4] 翟明春，林威.五自由度噴涂機器人運動學分析[J].裝備制造技術，2013（3）：27-29.

[5] 崔玉潔，張組立，范磊，等.基于ADAMS的果品拆摘機械手運動學仿真分析[J].農機化研究，2008（4）：59-61.endprint