機(jī)械臂機(jī)電一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

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摘要:在空間站中，空間機(jī)械手是非常重要的裝置，是空間站工作中不可或缺的裝置之一。因此，空間機(jī)械手的機(jī)械接頭的設(shè)計(jì)和控制尤為重要。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使空間機(jī)械手發(fā)揮更大的作用，有必要對機(jī)電一體化接頭的設(shè)計(jì)和控制進(jìn)行詳細(xì)分析，以滿足其實(shí)際應(yīng)用的需要。

關(guān)鍵詞:空間機(jī)械臂;機(jī)電一體化;關(guān)節(jié)控制;設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化關(guān)節(jié)是空間機(jī)械手的關(guān)鍵組成部分，在空間機(jī)械手的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。機(jī)電一體化接頭的設(shè)計(jì)不僅影響空間機(jī)械手的控制精度，而且影響空間機(jī)械手的整體性能。因此，要對機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的控制和設(shè)計(jì)予以高度的重視，以此來不斷的提升空間機(jī)械臂的集成性和可靠性。本文闡述了空間機(jī)械臂機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的控制設(shè)計(jì)。

一、空間機(jī)械臂和機(jī)電一體化關(guān)節(jié)簡介

太空機(jī)械手是空間站的重要組成部分，主要由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，地面控制臺，在軌控制系統(tǒng)，移動(dòng)基座系統(tǒng)，末端執(zhí)行器系統(tǒng)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成?？臻g機(jī)械手的臂和關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)連接到末端執(zhí)行器系統(tǒng)，并且空間機(jī)械手裝置需要依靠關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)來完成相關(guān)的空間運(yùn)動(dòng)?？臻g機(jī)械臂在空間站中發(fā)揮著重要的作用，不但可以為空間站的建設(shè)和維護(hù)提供強(qiáng)大的助力，還可以為航天員提供相應(yīng)的援助，以此來提升航天員的行動(dòng)能力。另外，通過空間機(jī)械臂的應(yīng)用，可以很有效的減少航天員的出倉次數(shù)，不但降低了航天員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，也提升了航天員在宇宙空間的安全性。機(jī)電一體化關(guān)節(jié)是空間機(jī)械手的重要組成部分。空間機(jī)械手可以通過機(jī)電關(guān)節(jié)的速度，位置和力的閉環(huán)控制來完成多自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的功能性很強(qiáng)，第一，能夠?yàn)榭臻g機(jī)械臂提供操作的驅(qū)動(dòng)力和負(fù)載能力。其次，機(jī)電一體化關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械手的緊急制動(dòng)。第三，機(jī)電關(guān)節(jié)還可以保護(hù)空間機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。第四，機(jī)電一體化關(guān)節(jié)可以有效地提高空間機(jī)械手的工作精度。第五，通過機(jī)電一體化關(guān)節(jié)，空間機(jī)械臂能夠和中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息的交互。

二、空間機(jī)械臂機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化接頭的過程中，首先要確保機(jī)電一體化接頭具有傳動(dòng)，制動(dòng)，驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)控制，溫度信號采集，位置信號采集，速度信號采集和通信等功能。其次，要對機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的重量和體積進(jìn)行有效的控制。在滿足機(jī)電一體化關(guān)節(jié)功能需求的基礎(chǔ)上盡可能的實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的小型化和輕量化。另外，由于宇宙空間的環(huán)境較為特殊，機(jī)電一體化關(guān)節(jié)還應(yīng)該具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在實(shí)際的機(jī)電一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)過程中，首先，要根據(jù)實(shí)際的需求來制定出整體的設(shè)計(jì)方案。除了要重視前期的調(diào)研工作之外，還要科學(xué)合理的進(jìn)行中心孔走線、傳感器和零部件選型以及冗余設(shè)計(jì)等工作。第二，按照實(shí)際的性能參數(shù)和功能要求來合理的分配性能指標(biāo)，同時(shí)對零部件的接口和尺寸進(jìn)行詳細(xì)的核對。第三，科學(xué)合理的對機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣控制硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三、空間機(jī)械臂機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)的控制

(一)機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的控制模式

在空間機(jī)械臂機(jī)電一體化關(guān)節(jié)控制過程中，想要實(shí)現(xiàn)對機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的控制，必須要通過中央控制器發(fā)出信號指令，并完成所有的操作。在操作過程中，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)在機(jī)電一體化中發(fā)揮著重要的作用，而關(guān)節(jié)控制指的是控制系統(tǒng)的速度、電流以及位置等，并應(yīng)用傳感器獲取關(guān)節(jié)信息的準(zhǔn)確時(shí)速。此外，在對關(guān)節(jié)進(jìn)行速度控制過程中，機(jī)電接頭控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制和速度控制極為重要，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)使用電流、速度雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)對機(jī)電環(huán)路進(jìn)行有效的控制，并且設(shè)定扭矩和電流控制器的回路，然后利用傳感器得到關(guān)節(jié)時(shí)速等信息數(shù)據(jù)，而且這些信息數(shù)據(jù)都是有依據(jù)的，并準(zhǔn)確，值得今后在運(yùn)用時(shí)得以借鑒。

(二)機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的控制方法

在機(jī)電一體化中，關(guān)節(jié)控制的方法值得推薦，而關(guān)節(jié)控制的最重要的部件是電動(dòng)機(jī)和減速器，在機(jī)電一體化中發(fā)揮著重要的作用，而且減速器與彈簧之間存在著等效的關(guān)系，兩者相互依存。此外，為了更好地做好控制系統(tǒng)的工作，要針對控制系統(tǒng)的實(shí)際情況采取不同的控制方法，對機(jī)電一體化的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并針對控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立相應(yīng)的力學(xué)模型，對后續(xù)矢量進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在機(jī)電接頭的運(yùn)動(dòng)控制過程中，首先，要針對接頭的實(shí)際情況，對接頭的變化以及負(fù)載詳細(xì)的記錄，而數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性主要依靠負(fù)載的穩(wěn)定。其次，機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的控制算法包括多方面的，主要包括:狀態(tài)空間反饋、PID控制加柔性補(bǔ)償以及計(jì)算力矩前饋，其中最主要的是PID控制加柔性補(bǔ)償，其應(yīng)用范圍較為廣泛，得到了人們的青睞。所以，在使用過程中，一定要重視關(guān)節(jié)柔性的影響，降低關(guān)節(jié)振動(dòng)的次數(shù)，并根據(jù)機(jī)電一體化工作的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過多年來的發(fā)展，PID控制技術(shù)得到了很好的應(yīng)用，不但具有一定的靈活性，而且控制效果較好，值得推廣。

四、結(jié)語

綜上所述，空間機(jī)械臂是空間站的重要組成部分，在航空領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。對于空間機(jī)械手，機(jī)電接頭不僅可以促進(jìn)穩(wěn)定高效的操作，還可以提高其性能。因此，一定要對機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的控制和設(shè)計(jì)予以高度的重視。

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作者：黃慶會 單位：惠州城市職業(yè)學(xué)院