轻质采样机械臂设计与分析

陈引生++崔勇++刘蕴青++王燕

摘 要：土壤采样机械臂是深空着落探测器进行采样探测的必要机构。根据深空探测的环境要求，设计出满足结构强度的高可靠性的轻质机械采样臂，采用一个旋转关节和两个移动关节组成三自由度方案。对移动关节和旋转关节进行设计，对采样加热组件进行设计。对采样机械臂系统作运动学分析，采用D-H法建立系统运动模型，设置各关节坐标系，推导出各坐标系之间的坐标变换矩阵以及坐标向量矩阵，得到运动学正解和运动学逆解方程，为后续的分析及研究做准备。

关键词：采样机械臂 D-H坐标 运动学正解 运动学逆解

中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（a）-0012-03

轻质土壤采样分析机器人是当前航天探测领域研究的一个热点。它一般采用履带式或者特殊轮式着落车加装机械臂的结构，能自主的完成采样及分析作业。机械臂是机器人作业的主要执行机构，一般是由一系列连杆通过转动或者移动关节串联而成的空间机构[1]。机械臂的运动学正解、逆解是进行机械臂末端执行器路径规划、各关节运动运动控制以及机械臂的动力学分析的关键。设计高可靠性的轻质土壤采样机械臂，给出其运动学正解以及运动学逆解，为后续的分析调试提供基础。

1 结构设计

1.1 方案设计

功能上采样机械臂固定于着落车上，根据指令进行的转动、升降以及钻头的旋转、升降来成土壤的采样任务，通过加热仓完成加热任务，为后续的科学研究做准备。结构设计上要求机械臂在满足强度的情况下，装备质量尽可能轻，材料能够满足大范围温差。因此结构设计上采用由一个旋转关节与两个移动关节组成的三自由度机械臂，如图1所示。

系统由三连杆构成，连杆1绕关节1旋转，连杆2与丝杠1相连接，通过丝杠与螺母的配合，完成连杆2的伸出与收回，采样组件通过移动关节3与连杆2连接，末端执行器采用钻头通过丝杠2旋转完成取样。

1.2 旋转关节结构设计

旋转关节一端与基座连接固定于着落车上，另一端连接手臂1。电机通过电机连板与一级轴座连接到一起，通过紧定螺钉将电机输出轴和一级转轴连接，使其同步转动。深沟球轴承61800右边采用轴肩定位，左侧有定位套，轴承61801左侧利用轴肩定位，右侧则由一级转轴定位。一级套筒通过三个定位销与一级转轴连接，二者同步转动，如图2所示。

1.3 移动关节结构设计

平移关节主要由一级套筒、传动丝杠、固定螺母、一级滑套、导向键以及定位销等组成，一级套筒通过三个定位销与旋转关节的一级转轴固定连接，带动下游机构随转轴选择而转动。电机通过紧固螺钉固定于一级套筒的末端，传动丝杠通过紧定螺钉与电机转轴连接，同步旋转运动。传动丝杠、导向键以及固定螺母组成一个螺旋传动机构，这样电机的旋转运动就转变成一级滑套的直线运动。一级滑套通过二级滑套连接块与二级滑动组件相固定连接。如图所示。

1.4 采样组件结构设计

采样组件主要由采样丝杠、采样套、钻头、加热板等组成，采样丝杠与采样套之间过盈连接，电机的转矩通过传动销将转矩传递给采样套及钻头，为保证传动销的强度及刚度，传动销采用钛合金材料制造。为保证加热时能量散发缓慢、加热腔保温效果，采样套材料选取轻质绝缘绝热材料，而加热板采用氧化镁粉棒基质柱形电热筒缠绕电阻丝通电后发热的方式。钻头末端有螺旋线型刃口，方便土壤的钻取。为减轻机构的质量，钻头以及采样套采用中空结构。

2 运动学分析

2.1 D-H坐标模型

为描述末端执行器在空间的位置和姿态，可以在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置[2]。采用D-H坐标系设立原则，建立本机械采样的坐标系，如图5所示。

转动关节0固定在着陆车上，连杆1与旋转关节0相连接，移动关节1链接连杆1和连杆2，移动关节2连接连杆2和连杆3。基坐标系建立在着陆车上，连杆坐标系建立在连杆1的末端，连杆坐标系建立在连杆2的末端，末端执行器坐标系建立在连杆3的末端，4个坐标系都在同一平面，即各个坐标系沿z轴方向投影相对位置差为零。各连杆参数及关节变量如表1所示。

2.2 运动学正解

对于给定的一个机器人，已知杆件几何参数和关节变量，求解末端执行器相对于给定坐标系（总体坐标系）的位置和姿态，被称为运动学正问题[3]。

通过求机器人相邻连杆之间的变换矩阵，就能够求出机器人末端相对于基座标的位置。变换矩阵把机器人位姿从关节空间变换为直角坐标空间[4]。根据齐次坐标变换方法，相邻关节坐标系变换关系用A矩阵来描述，对于有连杆关节型机器人手臂来说，其手部坐标系，相对于基坐标系的总变换关系可表示为。

将连杆及关节参数代入，得到各个关节变换矩阵。

2.3 运动学逆解

在已知杆件几何参数的情况下，给定末端执行器相对于基坐标系的期望位置和姿态，求使末端执行器达到期望位姿时所对应的关节变量，被称为运动学逆解[5]。这是对机械手臂控制的基础，可以根据正解结果，反求出逆解问题。

由前文已知

（1）求上式等式两边矩阵相等，对应元素也相等，即

故

同样还可以得出

这是因为机械手臂只有一个旋转关节，其运动都是在同一平面内的进行。

（2）求、 同理，根据正解结果，有

得出

式中，，注意，这里只能求出与之和，这是因为机械手臂有两个平移关节，且其平移沿同一直线方向，总移动距离为两关节移动矢量之和，在末端执行器路径规划时优先值的大小。

3 结语

针对采样机械臂特殊工作环境要求，设计出一种基于3自由度的轻质采样机械臂，采用D-H方法建立该机械臂的运动坐标系，求解出运动学正解以及运动学逆解，为后续的机械臂运动控制器设计提供理论依据。

参考文献

[1] 赵亮亮，马振书，穆希辉，等.危险作业机器人机械臂设计及其运动分析[J].机械设计与制造，2011（8）：155-157.

[2] 孙亮，马江，阮晓钢.六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究[J].控制工程，2010（5）：388-392.

[3] 侯国柱，汤学华.三自由度机器人手臂的运动学可视化求解研究[J].机械工程与自动化，2009（5）：7-11.

[4] 翟明春，林威.五自由度喷涂机器人运动学分析[J].装备制造技术，2013（3）：27-29.

[5] 崔玉洁，张组立，范磊，等.基于ADAMS的果品拆摘机械手运动学仿真分析[J].农机化研究，2008（4）：59-61.endprint