空间对接机构捕获锁优化设计

空间对接机构是实现航天器空间交会对接的关键系统。捕获锁作为对接机构的关键组成部件,具有实现两航天器间捕捉和释放的功能。其中的锁舌弹簧机构是典型的多体系统动力学机构,具有一定的设计难度。针对该问题,分析了锁舌运动规律,简化由分析力学建立的非线性微分方程组,建立了满足工程精度需求的数学模型;接着采用惩罚函数法和随机顺序配对机制改进标准遗传算法,并编制程序完成参数求解;随后应用ADAMS软件进行动力学仿真。捕获锁试验结果表明,捕获力显著减小,性能获得提高。所研制的捕获锁圆满通过了国内载人航天交会对接飞行试验,证明该产品优化设计工作获得了成功。     

空间对接综合试验台大回路系统控制模式的研究

介绍空间交会对接和对接半物理仿真的概念，以空间交会对接综合实验台为研究对象，分析其大回路控制系统的基本组成环节和完成的功能；进一步，根据地面半物理仿真台大回路系统在对接各阶段的结构，研究了大回路控制系统的3种不同控制模式的工作原理，给出其控制方框图，提出了特定条件下各控制模式的特点。     

卫星对接捕获的地面微重力验证系统

以航天器（卫星等）在轨服务的对接捕获操作为研究背景，介绍了两卫星对接捕获系统及其对接捕获的接触动力学特性。基于硬件在环仿真原理,采用两地面工业机器人建立了两卫星对接捕获操作的地面微重力验证系统，模拟了在太空微重力环境下两卫星对接捕获操作过程中的接触碰撞的情况。利用该地面微重力验证系统，通过专门针对卫星火箭发动机喷嘴的接捕获机构实现了两卫星对接捕获操作。实验结果验证了在空间微重力环境下，基于硬件在环仿真原理建立的地面验证系统对卫星对接捕获验证实验的有效性。     

波浪能发电半物理仿真试验技术研究

波浪能发电装置下海部署前评估其发电系统性能对装置的研发至关重要.目前评估方式主要有计算机仿真和实验室水池试验或者海试.计算机仿真依赖于精确的数学模型,实验室水池测试和海试耗资大,且小模型物理试验有时难以准确反映原型的实际情况.为了解决这一问题,研究一套能模拟波浪作用的半物理仿真试验平台,通过在仿真回路中接入真实的发电系统,并设计一套液压驱动系统实时复现波浪作用下浮子的运动,无需实验室水池或者海试便可实现装置下海部署前对其发电系统性能进行测试.为验证半物理仿真试验方案的可行性,以中国典型海况为例,以筏式波浪能发电装置为研究对象,设计制造出半物理仿真试验平台.在此基础上,研究液压驱动系统的跟踪性能和发电系统的性能.结果表明,所设计的液压驱动系统能很好地复现波浪作用下两筏体间的相对纵摇运动,半物理仿真试验平台的测试结果能较好地反映发电系统的性能.研究成果为模拟波浪能发电和评估其发电系统性能提供一种相对廉价又有效的试验方式.     

空间对接中的Stewart平台柔顺力控制分析

在地面进行空间对接动力学的模拟实验是实现空间对接不可或缺的过程.对Stewart平台进行柔顺力控制是模拟空间对接过程强制校正阶段的要求.提出Stewart平台的柔顺力控制策略,并进行稳定性分析和力稳态值分析,给出稳定条件和控制效果.仿真结果表明了其有效性.     

空间机器人在轨双臂辅助航天器对接力/位置嵌套双层滑模阻抗控制

为了实现空间机器人捕获航天器及辅助对接操作的柔顺化，对航天器对接装置的输出力与位姿的精确控制进行了研究，且在关节电机与机械臂之间添加了弹簧阻尼缓冲装置，以防止接触、碰撞时产生的巨大冲击力造成关节破坏。首先，结合Newton第三定律、捕获点的速度约束及闭链系统的几何约束，获得了捕获航天器后的混合体系统动力学方程，通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力。接着，通过航天器对接装置相对载体坐标系的运动学关系，建立了对接操作过程中的阻抗模型。然后，设计了一种鲁棒自适应双层滑模控制策略，其与阻抗控制相结合，采用力加载随动控制系统实现对接装置的位姿与输出力的精确控制，以降低接触、碰撞时的冲击力。该控制策略具有双层滑模结构，其第一层保证混合体系统在有限时间内收敛，第二层用于解决控制的高增益问题。最后，通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性；利用数值仿真验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明，在给定的速度下缓冲装置最大可将碰撞冲击力矩降低46.78%，输出力的控制精度优于0.5 N，位置、姿态的控制精度优于10-3 m,0.5°。     

牛头刨床急回机构运动仿真系统的运动建模

建立了牛头刨床的急回机构运动仿真系统的运动模型,展示了机构的绝对运动和相对运动,在此基础上对机构的动点作了动力学分析,包括其绝对运动参数和相对运动参数的求解.基于该运动模型,利用OpenGL技术开发了机构的运动仿真系统.     

空间弱撞击对接机构对接过程运动学分析

以空间弱撞击对接机构（LIDS ）对接过程为研究对象,通过运用Pro/ENGINEER软件建立机构的三维模型,采用矢量方法建立运动学模型,对其位置和姿态进行了分析。运用Newton -Raphson迭代法对空间弱撞击对接机构进行了位置正解分析,表明该方法可以迅速求解。以对接机构的三维模型和运动学模型为基础,通过MATLAB和ADAMS软件进行联合仿真分析,得到了满足设计要求的运动轨迹曲线,从而验证了运动学模型。对弱撞击对接机构进行了动力学仿真,得到了机构传力构件的最大受力情况。     

含防扭结构的三自由度并联平台运动分析与仿真

以三自由度并联机器人为原型,设计了一种含防扭臂结构的并联运动平台,探索其在汽车模拟驾驶器上的应用。运用Inventor软件建立并联运动平台虚拟样机,使用ADAMS软件对平台进行运动分析和仿真,完成了平台在复合运动下的运动学正、逆解分析和动力学分析,得出平台的运动特性,对比分析了防扭臂结构对平台动力学性能的影响,为平台结构设计和运动控制提供了实用依据。物理样机试验表明,该并联平台能够准确模拟汽车驾驶过程和运动状态,成本低廉,响应速度快,运动精度较高,有较大的应用价值。     

空间对接超大型地面运动模拟器系统的基础问题研究

<正>突破空间对接技术是921载人航天工程二期的主要目的,对接机构的研制是实现航天器空间对接的关键。对接机构综合试验台是研制对接机构及其复杂动态对接过程的重大关键试验装备,空间对接超大型地面运动模拟器系统是其最重要的核心。国际上,只有美国和俄罗斯拥有地面模拟真实空间环境下对接动态过程的运动模拟器系统。目前,美国对接模拟系统已不能正常工作,俄罗斯对接模拟系统仍在正常运行,已为"礼炮号"、"和平号"空间站对接机构进行了大量的试验。但依赖     

多连杆柔性机械手末端位置的非线性预测控制

讨论了多连杆柔性机械手末端位置的控制问题。给出了一种非线性预测与刚性运动ＰＤ 反馈相结合的混合控制器,该方法可避免逆动力学反馈控制遇到的零动力学不稳定问题,稳定性分析表明,单纯非线性预测控制和ＰＤ 控制都不易保证闭环系统的稳定性,而两种方法的混合控制可保证闭环系统的稳定性。通过一个双连杆柔性机械手的仿真表明,本文提出的控制方法可实现多连杆柔性机械手末端轨迹的准确跟踪,并能消除柔性机械手的弹性震动。     

Design of an Automatic Autonomous Mini Prone-cone Microsatellite Docking Mechanism

The capability of docking, refueling, repairing, and updating microsatellites using automatic autonomous vehicles will be of significance critical value for design and operation of several space systems in the near feature. Automatic docking capability was successfully tested by many institutions such as National Space Development Agency in Japan, European Space Agency, National Aeronautics and Space Administration in USA, etc. However, there is still much more space for improvement of degree of automation during the process of docking with large deviations of the initial attitude. A novel automatic autonomous probe-cone docking mechanism used for microsatellite docking is proposed. This docking mechanism is designed according to the design indices such as miniaturization, degree of automation and automatic capture capability within large deviation of the initial attitude. On the basis of the virtual work principle, the dynamics modeling of the docking process is presented. The position of the contact point is then analyzed. Comprehensive system level simulation is conducted in the 13 kinds of typical operating conditions with the initial deviations. Capture performance is analyzed. The simulation results show that the docking mechanism can be smoothly captured within 2 s in all cases of large attitude deviation between the active and passive spacecrafts. A virtual prototype model of the docking mechanism is established through ADAMS for further verifying the correctness of the buffer parameter model and the autonomous docking capability. A laboratory platform is designed for on-the-ground experimental validation of the property of mini probe-cone docking mechanism. Repeated docking tests prove the proposed design of the mini probe-cone docking mechanism system for its high reliability, and automatic capture capability within large attitude range. The kinetic model of the docking capture process and the mechanism structure could provide some References for similar mechanism design of in-orbit spacecraft.     

Stabilized multi-domain simulation algorithms and their application in simulation platform for forging manipulator

Most researches focused on the analytical stabilized algorithm for the modular simulation of single domain, e.g., pure mechanical systems. Only little work has been performed on the problem of multi-domain simulation stability influenced by algebraic loops. In this paper, the algebraic loop problem is studied by a composite simulation method to reveal the internal relationship between simulation stability and system topologies and simulation unit models. A stability criterion of multi-domain composite simulation is established, and two algebraic loop compensation algorithms are proposed using numerical iteration and approximate function in multi-domain simulation. The numerical stabilized algorithm is the Newton method for the solution of the set of nonlinear equations, and it is used here in simulation of the system composed of mechanical system and hydraulic system. The approximate stabilized algorithm is the construction of response surface for inputs and outputs of unknown unit model, and it is utilized here in simulation of the system composed of forging system, mechanical and hydraulic system. The effectiveness of the algorithms is verified by a case study of multi-domain simulation for forging system composed of thermoplastic deformation of workpieces, mechanical system and hydraulic system of a manipulator. The system dynamics simulation results show that curves of motion and force are continuous and convergent. This paper presents two algorithms, which are applied to virtual reality simulation of forging process in a simulation platform for a manipulator, and play a key role in simulation efficiency and stability.     

μ理论在柔顺力控制中的应用

研究μ理论在柔顺力控制系统中的应用。为模拟空间对接强制校正阶段的推出和拉近过程,提出基于6自由度并联机器人位置内环的柔顺力控制策略。描述基于位置内环的柔顺力控制系统串级控制结构,阐述用经典控制策略实现柔顺力控制的方法。综合考虑参数变化、模型变动和外来干扰等不确定性,利用μ综合控制理论设计鲁棒力控制器。给出鲁棒力控制系统回路中加权函数的详细选取方法和鲁棒力控制器的设计过程。通过μ分析比较鲁棒力控制器和经典力控制器的鲁棒稳定性和鲁棒性能。通过鲁棒力控制器和经典力控制器进行柔顺力控制试验,结果表明了所设计鲁棒力控制器的有效性和优越性。     

三稳态压电能量采集器的动态特性与实验

为了探究三稳态压电振动能量采集器的动力学特性,以磁-机-压电耦合型三稳态压电振动能量采集器(tristable piezoelectric vibration energy harvester,简称TPVEH)为研究对象,利用磁荷法、力平衡和基尔霍夫定律分别建立了采集器末端磁铁与外部磁铁之间的非线性磁力模型和系统集总参数动力学模型。仿真分析了磁铁间距、激励加速度幅值和频率等参数对采集器动力学特性和采集电压的影响。研制了三稳态压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验验证了仿真结果的正确性。研究结果表明,随着激励加速度幅值增大,能量采集器依次经历单稳态、双稳态和三稳态3种运动状态,且三稳态运动时的工作频带和输出性能(位移、速度和采集电压)比双稳态和单稳态时要高。     

转动刚体上柔性悬臂梁的动力学建模与仿真

对固结在转动刚体上柔性梁的动力学问题进行了研究。采用拉格朗日方程建立了 2种不同情形的转动刚体上柔性悬臂梁系统的动力学方程。引入了由离心力作用使柔性梁沿轴向产生变形而引起的拉伸势能所带来的广义力项,使系统产生了动力刚化效应。针对第二种情形,对不同惯量比时的系统耦合与非耦合方程进行了仿真,并通过仿真计算比较说明非耦合方程的局限性。     

A force/position control for two-arm motion coordination and its stability robustness analysis

This paper presents a motion coordination of two robot manipulators coordinating an object. To coordinate the object, a force/position control scheme in a mode of leader/follower is devised. The dynamics of the object is incorporated into the dynamics of the leader arm, which yields a reduced order model of two arm system. In order to regulate interaction forces between two arms, the dynamics of the follower arm is expressed as force dynamic equations such that a novel direct force control scheme is devised. For the devised control scheme, a numerical simulation is shown. Under the coupling forces between two arms and two different type of bounded input disturbances, boundedness and asymptotic stability results based on a proposed Lyapunov function are shown. Also, a sufficient condition for a stability robustness is derived based on the Lyapunov approach.     

齿轮轮齿接触力仿真研究

基于虚拟样机技术,用ADAMS软件建立了某型齿轮系统力学模型,进行了仿真研究,模型中用二维曲线-曲线接触定义齿轮副约束,并计及了摩擦力的作用.仿真结果与理论分析结论一致,证明了在齿轮系统中应用此种方法建立模型的正确性.得到了某一特定传动条件下单对齿轮轮齿法向力及齿间摩擦力的变化规律曲线,从而可以指导齿轮系统的设计和优化.     

半主动式补偿绞车的液压试验系统

为了检验半主动式补偿绞车的控制性能与节能效果,根据相似理论研制了补偿绞车原理样机及其液压试验系统,主要包括升沉模拟液压系统、负载模拟液压系统、1∶5缩尺的补偿绞车原理样机,分别实现了造波、加载、升沉补偿与自动送钻等试验功能。开发了电控系统,升沉补偿采用大钩位移闭环,自动送钻采用负载压力闭环,电机采用带速度反馈的矢量控制模式。最后通过试验模拟了补偿绞车原理样机的升沉补偿过程、自动送钻过程以及二者的联动过程,测试了补偿绞车的控制性能及液压蓄能节能效果。试验结果表明:补偿绞车的控制效果良好,半主动补偿方式相对于主动补偿方式有明显的节能效果。