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月面采样机械臂刚度建模与误差补偿

张运动,刘传凯,黄开启,苏建华,陈钢,张宽

张运动, 刘传凯, 黄开启, 苏建华, 陈钢, 张宽. 月面采样机械臂刚度建模与误差补偿[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
引用本文: 张运动, 刘传凯, 黄开启, 苏建华, 陈钢, 张宽. 月面采样机械臂刚度建模与误差补偿[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
ZHANG Yundong, LIU Chuankai, HUANG Kaiqi, SU Jianhua, CHEN Gang, ZHANG Kuan. Stiffness Analysis and Error Compensation of Lunar Sampling Manipulator[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
Citation: ZHANG Yundong, LIU Chuankai, HUANG Kaiqi, SU Jianhua, CHEN Gang, ZHANG Kuan. Stiffness Analysis and Error Compensation of Lunar Sampling Manipulator[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096

月面采样机械臂刚度建模与误差补偿

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
基金项目:国家自然科学基金资助项目(61972020,62003025);航天飞行动力学技术重点实验室基金(6142210200307,XTB6142210210302)
详细信息
    作者简介:

    张运动(1996− ),男,硕士研究生,主要研究方向:机器人操作与控制。E-mail:13225609552@163.com

    刘传凯(1983− ),男,博士,高级工程师,主要研究方向:机器人操作与控制,机器视觉,遥操作。本文通信作者。通信地址:北京市海淀区北清路26号院(100094)E-mail:ckliu2005@126.com

  • ● The effects of joint flexibility, arm bar flexibility and robot arm self-weight on the end error of the lunar sampling manipulator were analyzed. ● The stiffness model of the lunar sampling manipulator for table sampling is established. ● A stiffness model-based error compensation method for the lunar sampling manipulator. is proposed. ● The proposed method solves the problem of control accuracy degradation caused by flexible deformation of the lunar sampling manipulator.
  • 中图分类号:TP242

Stiffness Analysis and Error Compensation of Lunar Sampling Manipulator

  • 摘要:针对在月面采样任务中,表取采样机械臂受臂杆和关节柔性影响,呈现低刚度特性导致机械臂控制精度降低的问题,提出了一种基于机械臂柔性变形估计的末端操作误差补偿方法,通过分析关节柔性、臂杆柔性和自重等因素对机械臂末端位姿的联合影响关系,构建了多自由度机械臂的整体刚度模型,进一步通过有限元分析和真实变形比对等方法,对机械臂整体刚度模型的误差计算精度进行评估定界,给出了机械臂在不同构型条件下末端位置估计的误差边界。在此基础上设计了机械臂末端操作的一次性补偿控制方法,可将机械臂末端的最大控制偏差从35 mm降低到1 mm以内,极大提高了表取采样机械臂模拟系统的绝对定位精度。
    Highlights
    ● The effects of joint flexibility, arm bar flexibility and robot arm self-weight on the end error of the lunar sampling manipulator were analyzed. ● The stiffness model of the lunar sampling manipulator for table sampling is established. ● A stiffness model-based error compensation method for the lunar sampling manipulator. is proposed. ● The proposed method solves the problem of control accuracy degradation caused by flexible deformation of the lunar sampling manipulator.
  • 图 1表取采样机械臂DH坐标系

    Fig. 1DH coordinate system of surface mining robot arm

    图 2柔性连杆受力变形简图

    Fig. 2Deformation diagram of flexible connecting rod under force

    图 3表取采样机械臂自重受力分析

    Fig. 3Self-weight force analysis of robot arm

    图 4Workbench仿真构型图

    Fig. 4Workbench simulation configuration diagram

    图 5表取采样机械臂末端变形实验

    Fig. 5Robotic arm end deformation experiment

    图 6实验和理论计算结果

    Fig. 6Experimental and theoretical calculation results

    图 7表取采样机械臂误差补偿流程图

    Fig. 7Flowchart of error compensation of table mining robot arm

    图 8水平构型至采样构型路径

    Fig. 8Horizontal conformation to sampled conformation path

    图 9误差补偿结果

    Fig. 9Error compensation results

    表 1表取采样机械臂DH参数表

    Table 1Table of DH parameters of table mining robot arm

    $ i $ ${\theta }_{i}/(^{\circ})$ $ {d}_{i}/\mathrm{m}\mathrm{m} $ $ {a}_{i-1}/\mathrm{m}\mathrm{m} $ ${\alpha }_{i-1}/(^{\circ})$
    1 $ {\theta }_{1} $ $ {d}_{1} $ $ 0 $ $ 0 $
    2 $ {\theta }_{2} $ $ {-d}_{2} $ $ 0 $ $ -pi/2 $
    3 $ {\theta }_{3} $ $ {-d}_{3} $ $ {a}_{2} $ $ 0 $
    4 $ {\theta }_{4} $ $ -{d}_{4} $ $ {a}_{3} $ $ 0 $
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    表 25组仿真构型

    Table 2Five groups of simulated configurations

    位姿 关节2/rad 关节3/rad
    采样构型 0 1.571
    –0.262 1.571
    放罐构型 –1.571 1.571
    –1.571 2.094
    水平构型 0 0
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    表 3理论建模和有限元的变形结果对比

    Table 3Comparison of deformation results of theoretical modeling and finite elements

    方法 构型
    采样构型 放罐构型 水平构型
    有限元/mm 2.350 3.548 3.337 2.575 9.885
    理论法/mm 2.558 3.419 3.276 2.320 9.196
    误差/% 8.8 3.6 1.8 9.9 6.9
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    表 4表取采样机械臂参数

    Table 4Part parameters

    部件 质量/kg 长度/mm
    上臂 2.57 1 450
    下臂 1.77 1 300
    关节2 8.48
    关节3 2.80
    关节4+执行器 2.83
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    表 5真实机械臂测量实验构型

    Table 5Experimental configurations of real robotic arm measurements

    位姿 关节2/rad 关节3/rad
    1 –0.524 2.094
    2 –0.785 2.094
    3 0 1.571
    4 –0.262 1.571
    5 0 1.047
    6 0 0.785
    7 0 0
    8 –0.471 2.094
    9 –1.571 2.618
    10 –1.571 2.094
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出版历程
  • 收稿日期:2022-11-02
  • 修回日期:2022-11-28
  • 网络出版日期:2023-05-23

月面采样机械臂刚度建模与误差补偿

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
    基金项目:国家自然科学基金资助项目(61972020,62003025);航天飞行动力学技术重点实验室基金(6142210200307,XTB6142210210302)
    作者简介:

    张运动(1996− ),男,硕士研究生,主要研究方向:机器人操作与控制。E-mail:13225609552@163.com

    刘传凯(1983− ),男,博士,高级工程师,主要研究方向:机器人操作与控制,机器视觉,遥操作。本文通信作者。通信地址:北京市海淀区北清路26号院(100094)E-mail:ckliu2005@126.com

  • ● The effects of joint flexibility, arm bar flexibility and robot arm self-weight on the end error of the lunar sampling manipulator were analyzed. ● The stiffness model of the lunar sampling manipulator for table sampling is established. ● A stiffness model-based error compensation method for the lunar sampling manipulator. is proposed. ● The proposed method solves the problem of control accuracy degradation caused by flexible deformation of the lunar sampling manipulator.
  • 中图分类号:TP242

摘要:针对在月面采样任务中,表取采样机械臂受臂杆和关节柔性影响,呈现低刚度特性导致机械臂控制精度降低的问题,提出了一种基于机械臂柔性变形估计的末端操作误差补偿方法,通过分析关节柔性、臂杆柔性和自重等因素对机械臂末端位姿的联合影响关系,构建了多自由度机械臂的整体刚度模型,进一步通过有限元分析和真实变形比对等方法,对机械臂整体刚度模型的误差计算精度进行评估定界,给出了机械臂在不同构型条件下末端位置估计的误差边界。在此基础上设计了机械臂末端操作的一次性补偿控制方法,可将机械臂末端的最大控制偏差从35 mm降低到1 mm以内,极大提高了表取采样机械臂模拟系统的绝对定位精度。

注释:
1) ● The effects of joint flexibility, arm bar flexibility and robot arm self-weight on the end error of the lunar sampling manipulator were analyzed. ● The stiffness model of the lunar sampling manipulator for table sampling is established. ● A stiffness model-based error compensation method for the lunar sampling manipulator. is proposed. ● The proposed method solves the problem of control accuracy degradation caused by flexible deformation of the lunar sampling manipulator.

English Abstract

张运动, 刘传凯, 黄开启, 苏建华, 陈钢, 张宽. 月面采样机械臂刚度建模与误差补偿[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
引用本文: 张运动, 刘传凯, 黄开启, 苏建华, 陈钢, 张宽. 月面采样机械臂刚度建模与误差补偿[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
ZHANG Yundong, LIU Chuankai, HUANG Kaiqi, SU Jianhua, CHEN Gang, ZHANG Kuan. Stiffness Analysis and Error Compensation of Lunar Sampling Manipulator[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
Citation: ZHANG Yundong, LIU Chuankai, HUANG Kaiqi, SU Jianhua, CHEN Gang, ZHANG Kuan. Stiffness Analysis and Error Compensation of Lunar Sampling Manipulator[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220096
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