Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Балтийский Государственный Технический Университет

«Военмех» им. Д.Ф. Устинова»

Кафедра: «Мехатроника и робототехника»

Курсовой проект

Дисциплина: «Конструирование роботов и РТС»

на тему:

«Разработка тяжелого космического манипулятора»

Выполнил: студент

Калиновский В.Ю.

Преподаватель: Даляев И.Ю.

г. Санкт-Петербург - 2014 год

Реферат

Данный отчет включает в себя:

· документ объёмом в 27 страниц

· 4 приложения (модель кинематического движения, выполненная в программе «MSC ADAMS», три чертежа - две деталировки и один сборочный)

· 14 рисунков

· 5 таблиц

Ключевые слова:

Средний космический грузовой манипулятор, расчет, кинематическая схема, эскиз, ANSYS, Adams.

Объектом исследования данного курсового проекта является средний грузовой космический манипулятор.

Целью работы является выработка навыков и умений по проведению НИР у студента, а так же получение допуска к экзамену. В работе были применены методы анализа, синтеза, математических расчетов и моделирования. Результатом работы стал проектный облик среднего грузового космического манипулятора. Его основными техническими характеристиками являются максимальная грузоподъемность в 300 кг, общая длинна 10 метров, а так же скорость без груза 15 см/сек и 6 см/сек с грузом, соответственно, масса всего манипулятора составила 72 кг. Прогнозируется, что данный проект никогда не будет воплощен.



Введение

манипулятор космос груз двигатель

На данном этапе проблема перемещения грузов в космосе не является острой. Существует достаточно большое разнообразие космических грузовых манипуляторов. Но в связи с развитием деятельности человека в космосе, появляются новые задачи, для решения которых нужна модернизация или замена существующих образцов. Данная разработка проводится в целях обучения студентов.



1. Техническое задание

Цель работы:

Разработка манипулятора для захвата в открытом космосе грузов, запущенных с Земли.

В работе ставятся и решаются следующие задачи:

Проведение информационного и патентного поиска по теме;

Анализ особенностей конструкции перспективных робототехнических систем космического назначения;

Разработка базовых технических решений построения грузового космического манипулятора (СГКМ - Средний Грузовой Космический Манипулятор);

Разработка технического (проектного) облика СГКМ;

Оценка предполагаемых технических характеристик СГКМ;

Проведение предварительных кинематических, динамических и энергетических расчетов элементов и определение основных ТТХ.

Исходными данными для выполнения работы являются:

Состав, структура и характеристики РТС (Робототехнической системы) космического назначения;

Характер задач, решаемых с помощью РТС в открытом космосе;

Характеристики и свойства открытого космического пространства.

Основное содержание работы

В ходе выполнения работы должны быть:

Проведен и проанализирован информационный поиск;

Проведен анализ особенностей конструкций и оценка технических характеристик манипулятора;

Определена ТТХ основных систем манипулятора и проведены расчеты элементов;

Разработан внешний облик проект.

В процессе разработки проектного облика манипулятора должны быть выполнены следующие работы:

Проведен анализ, выбор и осуществлена базовая проработка конструкции манипулятора, обеспечивающего функционирование робототехнической системы с требуемыми параметрами;

Разработана конструкция отдельных узлов манипулятора, выпущена эскизная конструкторская документация на данные узлы.



2. Основные требования к выполнению работ

Требования к конструкции СГКМ:

Манипулятор должен обеспечить захват грузов до 300 кг, с возможностью доставки груза на космическую станцию;

Манипулятор должен иметь не менее 6 вращательных степеней свободы;

Максимальная скорость с грузом 6 см/сек, без груза 15 см/сек;

Точность позиционирования 7см;

Рабочая зона - сфера диаметром 20м;

Манипулятор должен иметь лепестковый схват с возможностью электроадгезии;

Требования могут быть уточнены в ходе проработки технических решений по его подсистемам.



3. Информационный поиск

В данное время существует множество патентов и изделий по тематике. Приведем некоторые из них, для того, чтобы определиться с обликом робота и его характеристиками, взяв за основу базовые технологии, которые были использованы в проектировании и построении данных моделей манипуляторов.

Канадарм2 (англ. Canadarm2) -- мобильная обслуживающая система (робототехнический комплекс и связанное с ним оборудование), находящаяся на МКС. Выполняет ключевую роль при сборке и обслуживании станции: перемещает оборудование и материалы в пределах станции, помогает космонавтам работать в открытом космосе и обслуживает инструменты и другую полезную нагрузку, находящиеся на поверхности станции. Космонавты проходят специальный тренинг работы на Канадарм2. Был запущен в 2001 году.

В мобильную обслуживающую систему входит рука, называемая Space Station Remote Manipulator (SSRMS), в переводе на русский -- «дистанционный манипулятор космической станции», Mobile Remote Servicer Base System, а также Special Purpose Dexterous Manipulator («Гибкий манипулятор специального назначения»), известный также как Декстр. Система может перемещаться по рельсам, расположенным на ферменных конструкциях с помощью тележки мобильного транспортёра.

Мобильная обслуживающая система спроектирована и произведена компанией MDA Space Missions (ранее называемой MD Robotics, а ещё ранее SPAR Aerospace) как вклад Канадского космического агентства в МКС. Её параметры указаны в таблице 1.



Таблица 1

Технические детали	Манипулятор	Основание
Длина	17.6 м	5.7х4.5х2.9м
Масса(прибл.)	1800 кг	1450 кг
Грузоподъемность	116000 кг	20900
Степень свободы	7	Фиксированный
Пиковая мощность	2000 Вт	825 Вт
Мощность	435 Вт	365 Вт
Диапазон приложенных усилий	0-1000 N	-
Тормозной путь при максимальной нагрузке	0.6 м	-

Рисунок 1. Канадарм 2 (Canadarm 2)

Shuttle Remote Manipulator System (в переводе: дистанционно управляемая система манипулирования), более известный как Канадарм(англ. Canadarm) -- роботизированные манипуляторы первого поколения, созданные Канадским космическим агентством. Использовались на шаттлах для перемещения грузов в космосе. Всего было построено 5 таких манипуляторов. Ниже приведена таблица 2 сравнения манипуляторов Canadarm и Canadarm 2.



Таблица 2

Характеристика	Сanadarm	Canadarm 2
Длина	15 м	17.6 м
Масса(прибл.)	410 кг	1800 кг
Грузоподъемность	29484 кг	116000 кг
Степень свободы	6	7
Крепление	Крепится к шаттлу одним концом	Не фиксированный конец
Состав	16 слоев углеродного волокна	19 слоев углеродного волокна-термопластика
Контроль	Автономная работа или астронавт	Автономная работа или астронавт
Чувства	Без осязания	Датчики моментов обеспечивают чувство осязания. Функция автоматического видения захвата. Автоматическое предупреждение столкновений.

Рисунок 2. Канадарм (Canadarm)

DEOS DLR Manipulator -- Немецкая система манипуляторов для решения задач увода аварийных спутников с орбиты с целью уменьшения неконтролируемых спутниковых орбит. Ниже, в таблице 3, представлены характеристики манипуляционной системы.



Таблица 3

Характеристика	DEOS DLR
Длина	3 м
Вес	36 кг
Передаточное отношение	160/1
Выходной крутящий момент	120 Нм
Максимальная скорость	15 об./мин
Количество пальцев	3

Рисунок 3. DEOS DLR

ETS-VII (Engineering Test Satellite VII) / Kiku-7 - спутник для проведения испытания космических роботов и демонстрации беспилотных орбитальных маневров и задач обслуживания (методы сближения и стыковки) В состав спутника входит Robot arm system. Его параметры указаны в таблице 4.

Таблица 4

Длинна манипулятора	2 м. 6 степеней свободы
Управляющий двигатель	Безщёточный двигатель постоянного тока; волновая зубчатая передача
Точность позиционирования	1.3 мм (наконечник) 50 мм/с, 5є/с (скорость наконечника) момент более 40 Н, крутящий момент10 Нм
Способ управления	Дистанционное управление с земли через станцию TDRS

Рисунок 4. ETS-VII (Kiku-7 )

Japanese Experiment Module Remote Manipulator System - манипулирующая система, созданная для обеспечения обслуживания Kibo's Exposed Facility (EF).

Данная система состоит из двух манипуляторов - « The Main Arm (MA)» и «Small Fine Arm (SFA)» - главного манипулятора и маленького «хорошего» манипулятора.

Каждый манипулятор, как главный, так и маленький, имеют по 6 степеней свободы, таким образом, обеспечивается большое количество степеней свободы и реализованы человекоподобные движения. Для управления JEMRMS осуществляется с помощью the JEMRMS Console. Для визуального контроля управления на обе руки установлены камеры видеонаблюдения.

С помощью этой системы команда EF может перемещать грузы, а так же проводить орбитальные замены устройств. Десяти метровый главный манипулятор справляется с большими грузами, а маленькая - соответственно с маленькими предметами.

JEMRMS рассчитан на более чем десять лет службы на орбите. Поэтому имеет JEMRMS взаимозаменяемые компоненты на случай неисправностей. Манипуляторы можно будет починить с помощью внутри аппаратных или вне корабельной деятельности. (Главную руку можно отремонтировать только при вне корабельном ремонте). Параметры с-мы указаны в таблице 5.

Таблица 5

	Спецификации
	Main Arm (MA)	Small Fine Arm (SFA)
Строение	Главный манипулятор соединен с маленьким.
Количество степеней свободы	6	6
Длинна	10m	2.2m
Масса (вес)	780кг	190кг
Нагружающая способность	Макс 7,000кг (Размер груза до: 1.85m x 1.0m x 0.8m / вес не меньше 500кг)	Макс. 80кг в режиме контроля эксплуатации Макс. 300кг без режима контроля эксплуатации (размер ОЗМ: 0.62m x 0.42m x 0.41m / макс. вес: 80 кг)
Точность позиционирования	Линейная 50(+/-)mm	Линейная 10(+/-)mm
	Угловая 1(+/-)deg.	Угловая 1(+/-)deg.
Линейная/ угловая скорость	60mm/с (при нагрузке от 600 до 3,000кг)	50mm/с (при нагрузке меньше 80 кг)
	30mm/с (нагрузка меньше 3000кг)	25mm/с (нагрузка: от 80 до 300кг)
	20mm/с (нагрузка от 3,000 до 7,000кг)	-
Максимальное усилие в схвате	Более 30 Н	Более 30 Н
Срок службы	Более 10 лет

Рисунок 5. JEMRMS

Main Arm (Главный манипулятор)

В состав главного манипулятора входят - 3стрелы, суставные сочленения, телекамеры, блок PTU, фонарь, и конечный актуатор (схват). Оператор управляет главным манипулятором с помощью изображения выводимого с камеры на консоль управления.

Small Fine ARM

В состав маленького манипулятора входят некоторые электронные блоки, стрелы, суставные сочленения и конечные акутаторы - инструменты, телекамеры.



4. Техническое предложение и эскизный проект

Системы манипуляции в космосе применяются в наши дни очень широко. Они подходят для выполнения множества задач, таких как стыковка, ремонтные работы в открытом космосе и др.

В большинстве указанных нами в информационно-патентном поиске системах управление манипулятором может осуществлять как компьютер, так и оператор (на земле или в космосе).

Для того чтобы построить эскизный облик манипулятора нами был проведен информационно-патентный поиск и по полученным результатам за основу нами был взят японский аналог робота Kibo. Данный робот имеет примерно такую же длину и по показателю грузоподъемности превосходит технические характеристики нашей манипуляционной системы в 20 раз. Это означает, что мы можем сделать робот тоньше за счет того, что несущие конструкции не будут подвержены столь большим нагрузкам; так же мы можем поставить приводы меньшего размера и с меньшим энергопотреблением, что весьма важно для автономной космической станции или спутника. В открытом космосе так же важным фактором является взаимозаменяемость частей, модулей и деталей манипуляционной системы, для обеспечения ремонтопригодности в случае неполадок и серьезных аварий. Для обеспечения этого предлагается оснастить манипулятор двигателями, которые буду абсолютно взаимозаменяемыми.

Кинематическая схема робота приведена на рис. 6



Рисунок 6. Кинематическая схема робота



5. Эскизный проект

5.1 Конструкция системы

Эскизная проработка одного из конструктивных решений СГКМ приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Эскиз манипулятора

5.2 Расчет и выбор двигателей

При выборе двигателей будем ориентироваться на двигатели постоянного тока с графитными щетками.

Для расчёта мощности силовых машин в качестве исходного примем уравнение для максимального момента на валу исполнительного двигателя. Момент на первом двигателе будет максимальным, если расположить остальные звенья под углом 90° к оси вращения вокруг первого модульного приводного узла-шарнира.



Рисунок 8. Схема расчета

Для нахождения момента воспользуемся формулой нахождения моментов:

(1)

где

F- сила, действующая на плечо длиной L;

, и - массы двигателей и стрел манипулятора, а так же масса максимально возможного груза соответственно;

- линейные размеры приводов и стрел манипулятора;

- ускорение стрелы.

Ускорение найдем из формулы

(2)



где V - разница между конечной и начальной скоростью манипулятора; - разница между конечным и начальным временем, когда происходит разгон. Скорость максимально нагруженного манипулятора примем равной 6см/сек (из ТЗ), а время, за которое происходит разгон, примем 3 сек. Тогда

Учитывая, что все двигатели будут одинаковыми то их массы

(3)

(4)

Для предварительного расчета момента примем кг, =2,5 м, =20 кг, = 300 кг. Тогда:

Исходя из полученных данных можно выбрать редуктор из каталога Maxon Motor (110504):



Рисунок 9. Характеристики редуктора

Подбираем двигатель по условиям:

Рисунок 10. Характеристики двигателя



В качестве датчиков положения были выбраны энкодеры фирмы “Maxon Motors”

Рисунок 11. Характеристики датчиков

Для съема, обработки данных с датчиков и управления приводами манипулятора подберём контроллер:



Рисунок 12. Характеристики контроллера

Подобранный контроллер может не удовлетворять условиям устойчивости к агрессивным средам в космосе (температурные, радиационные). Для этого возможно стоит подвергнуть платы контроллеров дополнительным компаундированием. В целом, это обеспечит радиационную защиту, а так же нивелирует резкие перепады температуры.

Суммарный вес сборки (двигатель, редуктор, энкодер, контроллер) составляет 2,64 кг. Пересчитаем момент исходя из полученных данных:

Момент изменяется незначительно. Привода удовлетворяют требованиям, следовательно, дальнейшая корректировка не требуется.



6. Эскизная документация

На чертеже БГТУ.Н101.001.005 (приложение 1) представлен сборочный чертёж среднего грузоподъёмного космического манипулятора.

На чертежах БГТУ.Н101.001.010 (приложение 2) и БГТУ.Н101.001.020 (приложение 3) представлены некоторые детали манипулятора.



7. Анализ деталей в системе конечно-элементного анализа ANSYS

7.1 Анализ детали «захват»

При перемещении груза на ось схвата будет подвергаться излому. Проанализируем запас прочности конструкции детали, для чего воспользуемся пакетом ANSYS. Материал захвата - алюминиевый сплав Д16.

На рисунке представлены результаты моделирования (внутренние напряжения) при приложении горизонтальной силовой нагрузки (по направлению оси х) величиной 300 Н на основание. Закрепление было установлено на грани 1 (показана на рисунке стрелкой), вектор усилия был приложен к грани 2.

Рисунок 13. Результаты моделирования

7.2 Анализ детали «основание»

При работе манипулятора возможны аварийные ситуации, когда основание подвергается довольно большим нагрузкам, и весь манипулятор может быть оторван от корпуса аппарата.

Был проведен расчет креплений при воздействии большой отрывающей силы (30000Н). Закрепления проводились по 6-ти отверстиям для болтов закрепления (одно из них указано стрелкой), воздействие отрывающей силы было приложено к грани 1

Рисунок 14. Результаты моделирования

Как показывают результаты моделирования, максимальные напряжения, возникающие в данных деталях не настолько большие, чтобы это привело к их разрушению или деформации. Исходя из этого, делаем вывод, что проводить дальнейшую корректировку формы или линейных размеров необходимости нет.



Заключение

Результатом работы стал проект среднего грузового космического манипулятора, отвечающего заданным техническим требованиям. Задачи, которые поставил преподаватель, были выполнены. Результаты этой работы моно положить в основу для дальнейшего создания манипулятора.



Список используемых источников

1. К.А. Украженко, Ю.В. Янчевский «Захватные устройства промышленных роботов», Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2007. - 83 с.

2. NASA Satellite Servicing Project Report «Orbit Satellite Servicing Study», 2010.

3. Бруяка В.А. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: Учеб. пособ. / Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010.-271 с.

4. http://tms.ystu.ru/zahvat=.pdf

5. http://iss.jaxa.jp/en/kibo/about/kibo/rms/

Размещено на Allbest.ru

...