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空间机械臂在轨捕获碰撞动力学及控制研究

张龙  
【摘要】:近年来空间探索事业不断发展,我国也积极的加入到空间探索的队伍中,在不久的将来将自主构建空间站。面向日趋繁重复杂的在轨操作任务,空间机械臂在其中扮演的角色越来越重要,利用空间机械臂实施在轨服务已经成为当前空间技术发展的新热点。在诸多的操作任务中,如大型空间站的组装、在轨卫星的维修以及空间垃圾的回收等,都涉及到空间机械臂与操作物体的接触碰撞问题。因此,开展空间机械臂在轨捕获碰撞动力学建模及捕获过程中机械臂优化控制技术的研究,以提升捕获操作的安全性与可靠性,具有重要的理论意义与工程价值。本文研究内容来源于国家自然科学基金面上项目:空间站机械臂辅助航天器对接的碰撞机理与对接策略研究(课题编号:61573058),以配有具有大容差、软捕获特点的圈套式绳索捕获装置的冗余度空间机械臂为研究对象,针对其在捕获过程中的碰撞动力学建模、优化控制等关键技术进行深入的研究。本文的主要工作如下:1)空间圈套式绳索捕获动力学建模及接触碰撞研究。由于柔性钢丝绳是绳索捕获机构中的主要执行元件,空间圈套式绳索捕获过程中的接触碰撞问题实质上就是柔性钢丝绳与目标载荷之间的接触碰撞问题。针对柔性钢丝绳在捕获过程中的运动特点,提出一种基于拉伸/弯曲弹簧-质点的离散模型,在引入绳索捕获装置约束的基础上完成对柔性钢丝绳动力学模型的建立;针对柔性钢丝绳与目标载荷的接触碰撞建模问题,引入虚拟弹簧的概念,建立柔性钢丝绳法向接触力、压入深度与始末端安装距离之间的关系,并通过引入阻尼项实现了对目标载荷与柔性钢丝绳之间动态接触力的预测。2)空间机械臂圈套式绳索捕获接触碰撞响应分析。从空间机械臂系统能量角度出发,基于拉格朗日方法建立了空间机械臂系统动力学方程;在操作空间内,建立空间机械臂末端等效机制,以椭球或者带状椭球的方式定量的描述空间机械臂末端等效质量与等效惯量;针对不同的接触碰撞类型,分别建立了目标载荷与捕获装置刚性壳体间的刚-刚碰撞模型及目标载荷与柔性钢丝绳间的刚-柔碰撞模型;在此基础上,完成了对空间机械臂由接触碰撞引起的扰动分析。3)空间机械臂圈套式绳索捕获前优化策略研究。为降低空间机械臂圈套式绳索捕获过程中的接触力峰值,基于柔性钢丝绳接触力模型,设计了 “安全捕获区域”;分别基于空间机械臂末端的等效特性与空间机械臂和基座之间的耦合特性,建立了空间机械臂末端碰撞扰动及基座姿态碰撞扰动的评价函数;最终,利用空间机械臂的冗余特性,通过机械臂构型的自调整完成对目标函数的优化,实现了对机械臂末端碰撞扰动及基座姿态碰撞扰动的抑制。4)空间机械臂圈套式绳索捕获中稳定控制策略研究。针对空间机械臂圈套式绳索捕获过程中柔性钢丝绳与目标载荷可能发生多次接触碰撞对捕获任务造成扰动的问题,分别提出了基于PD控制模型的机械臂位姿补偿控制策略以及基于阻抗控制模型的机械臂接触式跟踪控制策略;前者可以实现在多次碰撞间隙对干扰后机械臂末端位姿的快速调整,后者可以实现仅依靠柔性钢丝绳与目标载荷的单次接触碰撞,即可完成对目标载荷的捕获,最大限度的降低碰撞引起的干扰。5)空间机械臂圈套式绳索捕获实验研究。基于地面气浮实验平台及三自由度空间机械臂,设计圈套式绳索捕获装置,并搭建三维可视化仿真平台。通过设计典型的实验方案,借助传感器采集数据与Adams辅助分析结果,对本文提出的空间机械臂圈套式绳索捕获过程中相关理论的正确性和优化控制策略的有效性进行实验验证和分析。


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