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小型卫星机械臂末端执行器抓接机构设计及仿真分析

王盈盈  
【摘要】:在轨服务技术已经成为了现代航天事业的一项新的关键技术。在轨服务包括卫星捕获回收、在轨装配维修、科学实验载荷照料、甚至摧毁实验卫星等多项技术,这无疑大大缩短了卫星发射成本并且有效延长了卫星使用寿命,甚至可以增加卫星向多项功能发展的可行性。但是要想实现在轨服务,首先要完成的就是在轨捕获。在轨捕获技术是指在空间通过人、机器人或两者协同完成的对空间目标实施抓捕的技术。它是在轨服务少数重要基础项目之一,而在轨捕获的关键环节就是要实现目标卫星的抓取。本文主要针对小型卫星机械臂末端执行器抓接机构进行了总体结构设计,重点分析抓捕环节位姿运动方程,并建立三维模型进行仿真以及实验验证。 本文首先是末端执行器抓接机构的总体结构设计。本次设计先通过比较分析各国现有能查到的末端执行器抓接机构,再结合本项目的技术要求,设计参照日本ETS-Ⅶ的末端执行器抓接机构。然后进行重点零部件设计。最后为其添加驱动系统和小型控制系统,形成一个末端执行器抓接小系统,方便后期在轨捕获系统的设计和研究。 之后本文又针对对接捕获环节对机构进行位姿建模。理论研究部分先通过姿态参数建立星体姿态运动方程模型,然后通过各个星体坐标系间复杂转变统一坐标系建立星体位置方程模型,最后再建立抓接过程动力学方程模型。本次建模目的主要是确保两星体抓接前的位置、姿态使目标卫星在追踪卫星可抓捕范围内,为后期控制系统的研究做理论铺垫。 最后对所设计的末端抓接执行机构进行仿真和物理试验验证。本次仿真属于抓接系统的初级仿真,主要验证所设计机构在不同工作情况下的抓接性能。仿真成功之后做出物理样机,在对应的地面对接试验台上进行试验验证,验证了末端执行器抓接机构机构合理性,可以达到项目要求。


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