用于样本采集的4自由度机械臂结构设计与研究(2)

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2.1 概述 9

2.2 机械臂总体方案设计 10

2.2.1功能及设计指标要求 10

2.2.2 机械臂结构方案设计 11

2.3 机械臂组件设计 14

2.3.1 关节组件设计 14

2.3.2关节的设计 19

2.3.3 腕关节的设计 20

2.3.4 锁定装置的设计 20

2.4 采样机械臂的三维模型建立 21

2.4.1 建模软件 21

2.4.2 建立的三维模型 22

2.5 操作过程 23

2.6 本章小结 23

第三章机械臂结构的仿真分析 24

3.1 刚性分析 24

3.2.1 模型建立 24

3.2.2 材料属性及网格划分 25

3.2.3 施加边界条件并求解 25

3.3 关键零件的受力分析 26

3.3.1 连杆法兰的分析 26

3.3.2 挖勺的分析 27

3.4 运动过程 29

3.5 本章总结 29

总结与展望 30

1、总结 30

2、展望 31

参考文献 32

致谢 33

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

宇宙空间充满着对人致命的太阳辐射线，且具有重力、高温差、超高真空等难以使人类生存的恶劣条件，在这样的恶劣环境条件下要进行空间开发，需要能够部分或大部分代替宇航员舱外作业的空间智能机器人[20]。

空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人，包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球进行探测作业的星球探测机器人。星球探测是航天领域中一个重要的研究课题，目前星球探测主要集中在月球探测和火星探测[20]。

月球探测的科学目标之一是月表物质成分探测与研究。若要完成这个科学目标，就要求月球车携带一些能完成就位探测的有效载荷，机械臂就是一种能携带这些有效载荷完成就位探测任务的有效装置。它能够完成就位探测有效载荷仪器的放置、定位、操作及撤离等操作，通过机械臂操作就位仪器就能够完成月球土壤分析、月球岩石分析等科学目标，此外，机械臂还可以简化科学仪器的设计。机械臂子系统是月球车的一个重要组成部分，对顺利完成月球车就位探测任务至关重要[13]。

1.2 历史、现状与发展趋势

1.2.1 国外发展史

行星探测机器人属移动式机器人，可追溯与东汉时期（公元25~220）张衡发明的指南车，作为移动式机器人的雏形；但（我国的）行星探测机器人的研究才刚起步。而国外从20世纪60年代就开始了研究，以前苏联和美国处于世界领先地位。

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，被国外众多机构研究，并广泛应用于星球探测作业中，完成操纵有效载荷如光谱仪、显微成像仪、铲子等，从而辅助完成定位、探测、采样、抓取、搬运等作业任务。美国、日本、俄罗斯、欧空局等国家[27]和机构都在不同时期采用漫游车搭载机械臂进行行星表面的探测。其中以美国研究较早，应用也呈现多样化。　