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三维重力补偿方法与空间浮游目标模拟实验装置研究

姚燕生  
【摘要】:空间机器人是人类探索宇宙、利用太空资源的重要工具,是国家科技水平和经济实力的具体体现。建立能够模拟太空微重力环境的实验系统是进行空间机器人研究的必要条件,也是目前存在的关键技术难点。本文的研究目的是在地面开发出高精度的微重力模拟实验平台,实现空间机器人对浮游目标的捕获功能验证。 主要内容为: 1、介绍了利用释放重力加速度和空间轨道运动来制造微重力环境的方法;闸述了目前采用平衡力来补偿和抵消重力的悬挂法、水浮法、气浮法三种主要的空间机器人功能验证地面试验方法与设备。 2、将悬挂法和其他重力补偿方法做了对比;通过对吊丝配重法的静力学和动力学分析与实验测试,可知其重力补偿效果和系统结构设计存在不足,提出了模型配重质量对分方法,同时也提出克服摩擦或减小摩擦是吊丝配重技术的关键问题:最后还研究了主动重力补偿方法和半丰动重力补偿方法。 3、提出了模拟空间浮游目标六自由度运动的实现方法,介绍了平面主动移动和被动滑行机构,研究了柱坐标式空中行走随动机构的动力学模型及其运动学逆解方法;针对悬挂模块提出时间最优控制方法,并对运动跟踪过程进行了数值模拟,模拟结果表明所用的路径规划是有效的。 4、研究了水浮模型研制中配体、浮心重心合一等问题,并设计了水浮式空间机器人功能验证装置;通过流体动力学分析发现了水中模型运动所产生的附加质量会影响模拟试验的相似性,提出改变模型质量以达到1:1高度相似的模拟。 5、通过对气动系统的压力、流量等流动特性研究,建立了低摩擦气缸结构参数和气压动力与泄露量的数学模型;根据重力平衡思想,提出了气压式重力补偿方法,设计制造出新型低摩擦(“无摩擦”)气缸,测试实验表明该气缸可以用于三维重力补偿系统。 6、介绍了吊丝配重型模拟卫星,指出其在质量、惯量上与模拟对象有较大差别;利用所设计的低摩擦气缸制造出可实现六自由度运动模拟卫星模型,具备


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