三維重力補(bǔ)償方法與空間浮游目標(biāo)模擬實驗裝置研究.pdf

1、空間機(jī)器人是人類探索宇宙、利用太空資源的重要工具,是國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實力的具體體現(xiàn)。建立能夠模擬太空微重力環(huán)境的實驗系統(tǒng)是進(jìn)行空間機(jī)器人研究的必要條件,也是目前存在的關(guān)鍵技術(shù)難點。本文的研究目的是在地面開發(fā)出高精度的微重力模擬實驗平臺,實現(xiàn)空間機(jī)器人對浮游目標(biāo)的捕獲功能驗證。
　　主要內(nèi)容為:
　　1、介紹了利用釋放重力加速度和空間軌道運動來制造微重力環(huán)境的方法;閘述了目前采用平衡力來補(bǔ)償和抵消重力的懸掛法、水浮法、氣浮法

2、三種主要的空間機(jī)器人功能驗證地面試驗方法與設(shè)備。
　　2、將懸掛法和其他重力補(bǔ)償方法做了對比;通過對吊絲配重法的靜力學(xué)和動力學(xué)分析與實驗測試,可知其重力補(bǔ)償效果和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計存在不足,提出了模型配重質(zhì)量對分方法,同時也提出克服摩擦或減小摩擦是吊絲配重技術(shù)的關(guān)鍵問題:最后還研究了主動重力補(bǔ)償方法和半豐動重力補(bǔ)償方法。
　　3、提出了模擬空間浮游目標(biāo)六自由度運動的實現(xiàn)方法,介紹了平面主動移動和被動滑行機(jī)構(gòu),研究了柱坐標(biāo)式空中行走

3、隨動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型及其運動學(xué)逆解方法;針對懸掛模塊提出時間最優(yōu)控制方法,并對運動跟蹤過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明所用的路徑規(guī)劃是有效的。
　　4、研究了水浮模型研制中配體、浮心重心合一等問題,并設(shè)計了水浮式空間機(jī)器人功能驗證裝置;通過流體動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了水中模型運動所產(chǎn)生的附加質(zhì)量會影響模擬試驗的相似性,提出改變模型質(zhì)量以達(dá)到1:1高度相似的模擬。
　　5、通過對氣動系統(tǒng)的壓力、流量等流動特性研究,建立了低摩擦氣缸結(jié)構(gòu)

4、參數(shù)和氣壓動力與泄露量的數(shù)學(xué)模型;根據(jù)重力平衡思想,提出了氣壓式重力補(bǔ)償方法,設(shè)計制造出新型低摩擦(“無摩擦”)氣缸,測試實驗表明該氣缸可以用于三維重力補(bǔ)償系統(tǒng)。
　　6、介紹了吊絲配重型模擬衛(wèi)星,指出其在質(zhì)量、慣量上與模擬對象有較大差別;利用所設(shè)計的低摩擦氣缸制造出可實現(xiàn)六自由度運動模擬衛(wèi)星模型,具備質(zhì)量特性非常接近的優(yōu)點;設(shè)計了主動漂浮運動控制系統(tǒng)，進(jìn)行了模擬衛(wèi)星浮游性能的測試實驗;設(shè)計了空間機(jī)器人捕獲功能驗證地面實驗系統(tǒng)方案

5、。
　　本文的創(chuàng)新點有：提出了氣壓式重力補(bǔ)償方法、研制了新型無摩擦氣缸，并用它們設(shè)計了6自由度模擬衛(wèi)星和浮游目標(biāo)三維氣浮式仿真平臺，該項研究對高精度微重力物理仿真具有重要意義;對空間機(jī)器人功能驗證水浮模型進(jìn)行流體力學(xué)分析，提出了設(shè)計水浮模型的方法，研究了以往演示系統(tǒng)沒有注意到的動力學(xué)相似問題，通過調(diào)整試驗?zāi)Ｐ唾|(zhì)量實現(xiàn)1:1高度相似模擬;提出了針對吊絲配重系統(tǒng)的模型配重質(zhì)量對分法、摩擦輪助動法;利用合適的軌跡規(guī)劃實現(xiàn)懸掛支撐機(jī)構(gòu)對懸