空間大型末端執(zhí)行器研制及其操作策略研究.pdf

1、近年來(lái),隨著地球資源的枯竭、人口膨脹和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,世界各國(guó)紛紛把研究的目光投向外太空,相繼研制并發(fā)射了若干航天器,用于空間環(huán)境的探索和資源的開(kāi)發(fā)?？v觀眾多的航天設(shè)備,空間站是到目前為止最為有效的進(jìn)行空間開(kāi)發(fā)和利用的手段之一,但是由于空間站的體積和質(zhì)量都非常大,宇航員本身無(wú)法直接完成空間站的組裝和日常維護(hù)工作,需要依賴(lài)于機(jī)械臂及其末端執(zhí)行器系統(tǒng)完成上述任務(wù)。因此本文的研究目的是面向空間站的在軌裝配、日常維護(hù)和載荷裝卸等需求,研制一

2、套具備大載荷操作能力的空間大型末端執(zhí)行器地面原理樣機(jī),并對(duì)其操作過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。
　　在“大載荷、大容差、軟捕獲和高剛度”的設(shè)計(jì)原則下,本文研制的末端執(zhí)行器采用柔性鋼絲繩作為捕獲操作的主要執(zhí)行元件,實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的大容差軟捕獲操作;采用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)作為拖動(dòng)操作的主要執(zhí)行元件,消除末端執(zhí)行器和載荷之間的姿態(tài)偏差,實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器和載荷之間的完全對(duì)接;采用形鎖合四連桿機(jī)構(gòu)作為鎖定操作的主要執(zhí)行元件,完成末端執(zhí)行器和載荷之間的高

3、剛度連接,同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者之間的電氣連接。此外,本文研制的末端執(zhí)行器多傳感器系統(tǒng)包含驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行系統(tǒng)位置和速度傳感器、執(zhí)行系統(tǒng)力矩傳感器,并設(shè)計(jì)安全保護(hù)裝置,實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的智能化操作的同時(shí)保證系統(tǒng)的安全性。
　　本文建立了末端執(zhí)行器操作容差優(yōu)化模型,并在該模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用線(xiàn)性加權(quán)法和懲罰函數(shù)法獲得了末端執(zhí)行器操作容差最優(yōu)值,并確定了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸,為末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),同時(shí)也為操作策略的制定奠定基礎(chǔ)。
　　

4、對(duì)末端執(zhí)行器操作過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究:針對(duì)柔性捕獲元件鋼絲繩的特點(diǎn),本文提出了基于扭轉(zhuǎn)阻尼彈簧的平面彎曲柔性鋼絲繩模型,確定了鋼絲繩的最終工作狀態(tài)。并在該模型的基礎(chǔ)上分析捕獲過(guò)程的靜力學(xué)問(wèn)題,為確定末端執(zhí)行器可操作載荷的大小提供依據(jù);分析了拖動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)偏差以及定位瓣和定位槽之間的材料組合等因素對(duì)拖動(dòng)接觸力的影響,通過(guò)合理配置各參數(shù),將拖動(dòng)接觸力控制在系統(tǒng)允許范圍內(nèi);分析了鎖定過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)問(wèn)題,為制定更為合理的控制規(guī)律以及

5、實(shí)現(xiàn)高剛度連接提供了保證。
　　在柔性捕獲機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步減小捕獲過(guò)程對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊,保證系統(tǒng)的安全,本文提出了末端執(zhí)行器Loop/Contact操作策略,通過(guò)在一個(gè)操作周期內(nèi),延長(zhǎng)捕獲接觸時(shí)間來(lái)降低捕獲接觸力,抑制捕獲沖擊,使捕獲過(guò)程平穩(wěn)。
　　本文為所研制的末端執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)了6自由度地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行末端執(zhí)行器操作載荷實(shí)驗(yàn)、操作容差測(cè)定實(shí)驗(yàn)、拖動(dòng)接觸實(shí)驗(yàn)、Loop/Contact操作策略等