深海大臂展电动机械手结构设计及动力学分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘涛
|
| 答辩日期 | 2021-05-21 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 张奇峰 |
| 关键词 | 水下机械手 柔性臂 动力学 水动力 振动学 |
| 学位名称 | 专业学位硕士 |
| 学位专业 | 机械工程 |
| 其他题名 | Structure Design and Dynamic Analysis of Electric Manipulator with Large Arm for Deep Sea |
| 英文摘要 | 海洋蕴藏着丰富的海洋生物资源、海洋矿物资源和海洋能源，人类未来的社会经济发展将离不开深海战略性资源开发，而水下机器人则是人类认识海洋、开发海洋不可缺少的工具之一。作为水下作业的核心工具，水下机械手的性能决定着水下机器人的作业能力。本文设计了一款深海大臂展电动机械手，其最大臂展长达 6 米，共有 6 个自由度，且腕部装有夹钳和摄像头，能够进行大范围的观测与作业，以节省能源、保护载体。可用于载体的检修、AUV的辅助回收、以及极端环境下载体无法靠近时的观测和作业。本论文的主要研究内容如下：（1）深海大臂展电动机械手整体构型和方案的设计。综合大作业空间和高灵活性，确定其构型、D-H参数以及整体设计方案。对整手进行浮力配平以减小关节所受静力矩，并对微正浮力长臂杆浮力、强度和耐压进行设计。最后设计了关节驱动模块，并完成整体的密封与防腐设计。（2）深海大臂展电动机械手的运动学和动力学分析。对整手进行正、逆运动学分析，求解各连杆的加速度、线速度。采用拉格朗日法构建水下大臂展机械手的动力学模型，并考虑流体环境因素影响，使用莫里森公式和D-H理论求解水动力项，得出目标负载下各关节所需驱力矩；作为关节驱动模块设计、臂杆强度校核以及整机负载能力、响应速度估算的依据，为整机的水下大范围精确观测与作业提供理论支撑。结合目标抓取过程实例，分析静水、最大水流环境下的最大负载目标抓取过程，求解并分析该过程各关节所受力矩。（3）单节复合材料臂杆的悬臂梁振动分析、柔性大臂杆和关节驱动模块的动力学建模。结合假设模态法对Euler-Bernoulli梁整体及微分单元进行受力分析，求解出各阶的固有频率和主振型函数；通过ANSYS Model模态分析求解各阶固有频率。建立驱动关节、柔性大臂杆和末端质量的动力学模型，推导各阶振动角度、臂杆末端跟随角度与关节驱动模块输出力矩之间的状态空间方程。（4）通过悬臂梁实验求解复合材料臂杆的弹性模量；通过大臂杆末端角度跟随实验构造振动系统的传递函数。开展单节臂杆的悬臂梁实验，观测不同负载下的形变量，使用最小二乘法进行拟合、计算碳纤维复合材料臂杆的弹性模量；通过ANSYS仿真分析极限负载下臂杆的形变量。实施陆地及水下环境下复合材料臂杆振动实验，对比大臂杆末端在水下环境和陆上环境下的振动频率和振动衰减速度，通过MATLAB系统辨识工具箱进行系统识别得出大臂杆末端角度和关节驱动模块输出角度之间的传递函数，并通过Simulink构造大臂杆的振动系统。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 84页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/28983]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_水下机器人研究室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘涛. 深海大臂展电动机械手结构设计及动力学分析[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。