在軌服務(wù)空間機(jī)器人機(jī)械多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)高效率建模研究.pdf

1、近年來,隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,空間機(jī)器人機(jī)械多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模獲得了廣泛的研究。根據(jù)現(xiàn)實(shí)工程需要,目前空間機(jī)器人是自由度較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航天裝備,以及隨著空間機(jī)器人構(gòu)件的輕質(zhì)、柔性化,利用空間剛性機(jī)器人的建模理論已經(jīng)不能解決柔性機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模問題,因而大型空間機(jī)器人系統(tǒng)的高效率動(dòng)力學(xué)建模與實(shí)時(shí)仿真已成為一個(gè)新的熱點(diǎn)問題。由于大型在軌服務(wù)空間機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,以及機(jī)器人本體的質(zhì)量隨著載荷及燃料的消耗而發(fā)生變化等因素,在地面上很難

2、實(shí)施全尺寸的動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn),這就需要開展在軌空間機(jī)器人參數(shù)辨識(shí)技術(shù)研究。因此,針對自由浮動(dòng)空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)高效率建模、實(shí)時(shí)仿真以及參數(shù)辨識(shí)問題開展了研究工作,以期為在軌航天器實(shí)時(shí)控制獲得堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 本文對機(jī)械多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論、描述多體系統(tǒng)體間關(guān)系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、旋量表示以及基本空間算子等理論進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；根據(jù)Lagrang建立多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的理論,研究了空間機(jī)器人機(jī)械多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的一般符號(hào)推導(dǎo)

3、過程；得到了機(jī)械多體系統(tǒng)符號(hào)動(dòng)力學(xué)建模算法；利用有限元方法對柔性體的物理模型進(jìn)行離散,得到了柔性體的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣,由此建立多柔體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。
　　 在空間算子代數(shù)理論的基礎(chǔ)上,將根據(jù)空間算子描述的剛性多體系統(tǒng)、柔性多體系統(tǒng)推廣到一般的機(jī)械多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模應(yīng)用中進(jìn)行遞推計(jì)算。該機(jī)械多體系統(tǒng)既可以包含有柔體又包含有剛體,既可以是鏈?zhǔn)较到y(tǒng)又可以是樹型多體系統(tǒng)。利用Huston理論的低序體陣列方法描述了一般多體系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)

4、構(gòu),然后根據(jù)判斷相鄰兩體是剛體或者柔體,利用空間算子代數(shù)理論建立一般多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。
　　 進(jìn)一步發(fā)展了空間算子代數(shù)理論體系,采用空間算子描述了機(jī)械多體系統(tǒng)廣義動(dòng)力學(xué)高效率建模問題。根據(jù)系統(tǒng)中鉸的驅(qū)動(dòng)情況分別對鉸鏈定義為主動(dòng)鉸和被動(dòng)鉸,通過判斷鉸鏈的類型分別按照兩次從系統(tǒng)的頂端到基座的順序、一次從基座到頂端的順序進(jìn)行了系統(tǒng)鉸接體慣量的遞推、系統(tǒng)冗余力的遞推和廣義加速度和廣義主動(dòng)力的遞推。通過上述三種方式的遞推過程建立了在軌服

5、務(wù)空間機(jī)器人系統(tǒng)廣義遞推動(dòng)力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了高效率O(n)次的計(jì)算效率,.該算法可以應(yīng)用于一般機(jī)械多體系統(tǒng)(包括剛性多體系統(tǒng)、柔性多體系統(tǒng)、欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)),求解反向動(dòng)力學(xué)、正向動(dòng)力學(xué)和混合動(dòng)力學(xué)遞推。
　　 基于翟婉明提出的新型積分校正算法,通過將二次微分方程逐步降階成代數(shù)方程,利用違約校正逐次求解出方程的離散值。并且進(jìn)一步發(fā)展了線性多步積分算法高效率的求解大型微分(微分一代數(shù))方程組。全面介紹了機(jī)械多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的直接數(shù)值方法,重

6、點(diǎn)論述了求解微分方程和微分代數(shù)方程組的線性多步積分算法。
　　 分析并解決了利用動(dòng)量守恒方法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)過程中的線性方程組奇異性問題,并且研究了機(jī)器人的各類參數(shù)等因素對辨識(shí)研究的影響。研究了空間剛性機(jī)器人(單臂和雙臂)本體和操作臂抓取未知目標(biāo)衛(wèi)星的參數(shù)辨識(shí)問題。根據(jù)機(jī)器人本體攜帶的測速敏感器測得本體質(zhì)心的線速度及角速度,通過依次使不同的鉸具有初始速度的方法,基于線動(dòng)量及角動(dòng)量守恒即可分別對雙臂空間機(jī)器人本體和未知目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行未知

7、參數(shù)的辨識(shí)。
　　 根據(jù)上述理論成果,完成了機(jī)械多體系統(tǒng)符號(hào)動(dòng)力學(xué)軟件編制。該軟件有強(qiáng)大的功能模塊,運(yùn)用Mathematica符號(hào)軟件開發(fā)的。軟件包括機(jī)械多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、數(shù)值積分算法、有限元處理、可視化輸出以及控制等模塊。軟件能實(shí)現(xiàn)機(jī)械多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)符號(hào)與數(shù)值仿真分析,并可以獲得系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、約束信息以及系統(tǒng)各機(jī)械參數(shù)的描述,可以輸出如仿真運(yùn)行時(shí)間、SOA算子、運(yùn)動(dòng)、受力等,并以表格、曲線和動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來。