质量和功耗是星球表面探测车的两个重要指标,质量决定了太空探测的发射能力和发射成本,功耗决定了探测车携带的科学仪器数量和各仪器的连续工作时间等。采样机械臂作为探测车的重要组成部分,其质量和功耗影响整个探测车的性能,因此对其研究具有重要的意义。本文对采样机械臂关节系统和轨迹规划进行深入的研究,旨在研制出质量轻、功耗低、结构紧凑、可靠性高、控制策略简单可靠的采样机械臂。首先,本文提出了一种轻量化、低功耗、多功能四自由度采样机械臂的设计方案。该方案将采样机械臂与支撑导航相机桅杆集成一体,通过锁紧装置使机械臂处于三角形稳定结构充当桅杆而不消耗任何能量。为使采样机械臂关节紧凑、可靠、控制误差低,本文设计了一种采用双端编码器的关节方案,各关节既不包括制动器也无力矩传感器,在电机输入端和连杆输出端分别安装增量编码器和绝对位置编码器,该方案减少关节的复杂度,既紧凑又可靠。针对该种关节方案,本文为此设计了一种主动位置控制和被动摩擦补偿的控制方法,通过预先设计好的控制序列,该控制方法可以控制机械臂完成各种科学作业任务。其次,采用MDH方法建立机械臂连体坐标系,推导出运动学方程,借助MATLAB软件求其动力学方程,分析动力学特性。在运动学基础上,对机械臂关节空间三次多项式、五次多项式、抛物线拟合线性插值进行讨论;笛卡尔空间给出空间直线插补和圆弧插补流程,编写仿真代码。根据关节传动方案,建立关节传递函数,借助MATLAB/Simulink平台对单关节速度环、位置环进行PID控制仿真,并在此基础上采用力矩前馈和计算力矩两种基于模型的控制方法来补偿各种非线性干扰,仿真结果表明轨迹跟踪误差在10-4数量级。在MATLAB和ADAMS中搭建联合仿真系统,对样品采集传送、工作状态切换控制策略进行仿真,得到各关节位置、速度、加速度、力矩的仿真曲线,为物理样机调试打下基础。最后,制作简化关节结构的物理样机,搭建机械臂的软、硬件系统,在VC++平台中开发上位机控制软件,对采样机械臂进行样品采集和传送测试,并对其质量、功耗等各项指标进行验证。