月壤采樣試驗月面著陸位姿模擬關鍵技術研究.pdf

1、我國月球探測第三期工程計劃在2017年左右發(fā)射探測器，其主要目標為實現(xiàn)月球樣品（月壤）的采樣返回。月壤采樣試驗是指在地面真實模擬月面復雜環(huán)境，模擬不同的著陸位姿，得到鉆采、表采試驗數(shù)據(jù)。本文根據(jù)月壤采樣試驗對月面平臺著陸位姿模擬的要求指標，綜合國內外月面著陸位姿模擬機構的研究，通過多方案設計對比分析，創(chuàng)新性地設計并制造了一種基于剛度可調的月壤采樣試驗月面著陸位姿的三自由度大工作空間并聯(lián)機構。其主要特點是由三個伺服電機驅動相應驅動桿伸縮，

2、串聯(lián)恰約束支鏈布置在機構的中間，嚴格約束動平臺的三個位姿方向的位姿模擬；最終通過三個驅動桿與中間恰約束支鏈之間鎖緊與松開的共同配合實現(xiàn)機構的剛度可調。主要研究內容如下。
　　月面著陸位姿模擬結構采用具有串聯(lián)恰約束支鏈的三自由度并聯(lián)結構。通過安裝在動平臺上的鉆取、表取采樣裝置采集數(shù)據(jù)，完成采樣封裝試驗。文中根據(jù)月面著陸位姿模擬機構模型方案，構建出運動學的正解、逆解方程，其純并聯(lián)機構的雅可比矩陣可采用基于符號運算微分變化式求解，而串聯(lián)

3、恰約束支鏈雅可比矩陣則利用D-H法求解，進而得到機構的完整雅可比矩陣。利用雅可比矩陣，研究月面著陸位姿模擬機構的奇異性。采用搜索法求解機構的工作空間，滿足月面著陸位姿模擬機構的工作空間限制要求，獲得各個自由度方向工作空間大小。
　　采用虛功原理構建月面著陸位姿模擬機構動力學模型并對典型運動進行動力學仿真。利用雅可比矩陣微分項構建月面著陸位姿模擬機構剛度模型，獲得月面著陸位姿模擬機構剛度分布情況。對月面著陸位姿模擬機構柔度進行分析，

4、得到了機構傳統(tǒng)剛度模型、運動學靜剛度模型和靈活度剛度模型的剛度分布情況。進一步分析機構在不同鎖緊狀態(tài)下的固有頻率，得出恰約束支鏈的鎖緊狀態(tài)與機構剛度間的關系，結果表明采用全部鎖緊的方式提高機構的剛度。
　　提出一種以速度性能與可操作度性能為優(yōu)化目標的優(yōu)化方法。根據(jù)影響月面著陸位姿模擬機構性能的主要尺寸參數(shù)，以動平臺半徑、定平臺半徑、速度性能及可操作度性能組成優(yōu)化目標函數(shù)，確定尺寸參數(shù)范圍，完成了月面著陸位姿模擬機構尺寸參數(shù)優(yōu)化，滿

5、足月壤采樣試驗月面著陸位姿模擬的工作空間要求。
　　提出了基于月面著陸位姿模擬機構驅動支鏈的補償方法。利用矢量法構建月面著陸位姿模擬機構誤差方程，分析各個誤差源對精度的影響，提出精度判定指標，為精度分析和誤差的補償提供理論基礎。利用激光跟蹤儀的測量結果對運動學模型進行修正，補償驅動桿桿長零位初始位置，調整機構初始位姿。實驗結果表明，采用該方法機構運動精度達到角度方向0.1°，位移0.1mm，為月壤準確采樣提供了保障。
　　提

6、出了一種基于機構桿長誤差和運動副鉸鏈安裝誤差的機構可靠度求解模型。在研究并聯(lián)機構可靠度求解方法基礎上，計算機構在三個方向的運動可靠度。針對常用的試驗位姿參數(shù)，對機構可靠度進行求解，得到可靠度均在0.99105以上，表明機構具有良好的運動可靠度。
　　最后，構建月面著陸位姿模擬機構的測試試驗系統(tǒng)，建立月壤采樣試驗月面著陸位姿模擬控制系統(tǒng)方案，開展了現(xiàn)場試驗。試驗測試表明，機構可實現(xiàn)各種單自由度及3自由度耦合運動，且耦合空間達20/4