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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(duì)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(duì)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(lái)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(jiǎn)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(tái),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(lái)完成相關(guān)的空間運(yùn)動(dòng)。空間機(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(lái)提升航天員的行動(dòng)能力。另外,通過(guò)空間機(jī)械臂的應(yīng)用,可以很有效的減少航天員的出倉(cāng)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??臻g機(jī)械手可以通過(guò)機(jī)電關(guān)節(jié)的速度,位置和力的閉環(huán)控制來(lái)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(guò)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(guò)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(hào)采集,位置信號(hào)采集,速度信號(hào)采集和通信等功能。其次,要對(duì)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(guò)程中,首先,要根據(jù)實(shí)際的需求來(lái)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(lái)合理的分配性能指標(biāo),同時(shí)對(duì)零部件的接口和尺寸進(jìn)行詳細(xì)的核對(duì)。第三,科學(xué)合理的對(duì)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(guò)程中,想要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的控制,必須要通過(guò)中央控制器發(fā)出信號(hào)指令,并完成所有的操作。在操作過(guò)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(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行速度控制過(guò)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(duì)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(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況采取不同的控制方法,對(duì)機(jī)電一體化的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并針對(duì)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(duì)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(guò)程中,首先,要針對(duì)接頭的實(shí)際情況,對(duì)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(guò)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(guò)多年來(lái)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(yǔ)
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(duì)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(duì)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。
參考文獻(xiàn):
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作者:黃慶會(huì) 單位:惠州城市職業(yè)學(xué)院
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