基于双层可展单元的空间伸展臂设计与分析

空间伸展臂广泛应用于航空航天领域。现有空间伸展臂的可展单元构型设计相对单一,所以提出了一种基于双层可展单元的空间伸展臂,设计制造空间伸展臂实物样机。通过多项式响应面法,建立起双层可展单元的基频代理模型。分析单元基频、折展比与单元基本结构参数之间的关系,得到了单元基频图谱和折展比图谱。通过Simscape进行伸展臂展开运动仿真,得到了伸展臂展开过程的运动特性和驱动特性,并通过伸展臂的地面展开试验进行验证。通过ANSYS进行伸展臂展开后的模态仿真和拉压、弯曲、扭转载荷下的静力学仿真,发现侧面拉索可以有效提升伸展臂的基频和静力学刚度。     

空间伸展臂折展单元展开运动特性分析

基于对国内外空间伸展臂机构研究状况分析,提出一种四棱柱型剪叉式空间伸展臂。在分析伸展臂工作原理的基础上,确定折展单元(剪叉单元)的构型特征,并基于螺旋理论求解伸展臂折展单元运动度,验证四棱柱型剪叉式空间伸展臂的运动单一性和折展稳定性。据此,分析空间伸展臂折展单元的几何特性,获得折展单元轴向展开运动规律线图,并利用所研制的原理装置在低重力模拟环境下完成伸展臂展开性能和重复展开精度测试,结果表明四棱柱型剪叉式空间伸展臂满足空间折展机构的功能需求。     

空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化

空间伸展臂作为空间折展机构中形式最丰富、研究最早、应用最广泛的一维空间折展机构,其主要作用是展开柔性太阳能帆板,支撑网状天线、合成孔径雷达、太空望远镜等。以三棱柱式伸展臂为研究对象,对伸展臂的展开方式和几何参数进行设计分析。基于几何非线性有限元理论,建立含空间桁架及预应力绳索的可展开伸展臂单元模型,然后建立含多可展开单元的大型伸展臂的几何非线性动力学模型。通过Matlab编程计算伸展臂的基频,得到影响伸展臂基频的关键因素,并以伸展臂的基频为优化目标,质量为约束条件,采用遗传算法对伸展臂进行优化设计。研制可展开三棱柱伸展臂样机,对伸展臂进行折展功能及参数优化设计验证试验。结果表明所设计的三棱柱伸展臂可顺利折展,所做的优化设计有效可行。通过该方法可以对特定任务需要的伸展臂进行优化设计,在满足约束条件的情况下,达到基频最高,对伸展臂的设计提供参考。     

基于空间多面体向心机构的伸展臂设计研究

空间多面体向心机构是一类特殊空间可展机构,这类机构一般成球形或多面体形状,具有高度的对称性,通过铰链关节运动可以实现多面体机构的展开/收拢运动.本文在其结构和运动特点分析的基础上,进一步提出一种新型六面体机构.该机构由4个4腿运动链和一个十字滑块机构组成.利用螺旋理论对这种机构作自由度和奇异性分析.将这种机构运用于伸展臂的设计中,提出一种新型同步展开/收拢伸展臂机构,该机构的自由度是1.对这种伸展臂机构的运动学和动力学进行研究,推导出了其运动学和动力学方程,这有助于此伸展臂的分析设计,最后将理论计算结果与ADAMS计算结果进行比较,验证了运动学和动力学方程的正确性.本文的研究成果在航天领域有较好的应用前景.     

空间索杆铰接式伸展臂参数设计与精度测量

结合空间索杆铰接式伸展臂在航天工程中的应用,基于伸展臂从航天器伸出且前端支撑负载的在轨工作状态,运用欧拉梁理论建立了悬臂式伸展臂理论分析模型。分析了工作状态下伸展臂与负载系统的固有频率和根部弯曲强度,提出了基于伸展臂固有频率限制和根部弯矩限制的伸展臂参数设计方法。通过算例分析了伸展臂线密度、半径、纵杆截面面积等主要设计参数与伸展臂固有频率和根部弯矩之间的关系。研制了伸展臂原理样机,其弯曲刚度和抗弯强度分别为0.388 MN.m2和562.12 N.m,验证了伸展臂具有较高的刚度和强度。对伸展臂物理样机的地面重复展开定位精度进行了测量实验,其轴向、水平、竖直方向上的重复展开精度分别为0.127 mm、0.645 mm和0.588 mm,证明了伸展臂具有较高的重复展开定位精度。     

空间索杆式伸展臂展开过程力学分析与仿真

简要介绍了空间索杆式伸展臂的展收、刚化原理及驱动原理,并对索杆式伸展臂的展开过程进行了详细的力学分析,计算了展开过程中临界刚化时刻的驱动力矩和需要的电机功率;运用ADAMS软件对索杆式伸展臂的展开过程进行了仿真,并对刚性平面的速度、加速度、角速度,以及角加速度曲线进行了分析.     

空间伸展臂的根部锁紧机构研究

根据空间伸展臂的结构和功能,提出了一种双滑块伸缩连杆形式的锁紧结构,在伸展臂完全展开后实现对其根部的锁紧和定位,并结合伸展臂的结构和工作原理,对锁紧机构进行了设计。通过相关的的受力分析,确定了轴向增力结构的尺寸关系和锁紧滑块的锥角和导向长度。锁紧机构能够简单有效地完成空间伸展臂的锁紧和定位功能,相应的结构尺寸也为其功能的实现提供了进一步的保障。     

一种新型空间构架式伸展臂的分析和仿真

针对目前构架式伸展臂易缠绕断裂的特点,提出了一种新型空间构架式伸展臂的刚化方式,采用两旋转副代替传统球铰,齿轮轴实现伸展臂的刚化控制。同时,对该伸展臂的力学特性进行了详细的分析,使用ADAMS软件对该伸展臂的伸展与收缩过程进行仿真,对铰接副的动力学特征和模态进行分析。结果显示,该新型伸展臂可靠合理,具有一定推广价值。     

索杆式伸展臂分析与设计

提出索杆式伸展臂的原理模型,设计和制作了索杆式伸展臂的样机模型,并详细介绍了该类伸展臂的展开与收纳机理以及驱动系统、零重力装置等相关装置的技术要求。     

伸展臂根部锁定机构的设计与运动分析

分析了一维伸展臂完全展开后与承栽筒之间的稳定锁定机构的设计原理,提出了能够实现无独立驱动动力源的锁紧原理,确定了根部锁紧机构采用双滑块伸缩连杆锁紧机构.通过分析,使伸展臂的根部锁紧机构简化为一种带弹簧的双滑块机构.首先根据此机构的运动分析,利用拉格朗日方程获得了滑块2(水平移动滑块)的位移和速度表达式.通过编程来分析验证理论分析的正确性,又进一步通过分析滑块2的运动对弹簧刚度和连杆的长度进行了确定.     

空间索杆铰接式伸展臂动态故障树建模及其可靠性评估

由于空间索杆铰接式展臂伸机构复杂,部分失效过程出现动态特性,如冗余备份以及功能相关性等,故采用基于离散时间贝叶斯网络的动态故障树分析方法对伸展臂系统进行可靠性评估。首先分析逻辑门向离散时间贝叶斯网络的转化方法,建立逻辑门的贝叶斯网络模型以及相关事件的条件概率分布。根据上述转换原理,将空间索杆铰接式伸展臂的动态故障树转化为对应的离散时间贝叶斯网络模型,最后利用贝叶斯网络推理计算伸展臂系统的失效概率以及各失效模式的后验概率,实现对其可靠性的评估。     

弹簧储能式空间可伸展机构的设计研究

设计了一种飞器用弹簧储能式空间可伸展机构。根据其所工作的特殊环境和技术参数,确定了具有弹簧驱动、机械式联动、弹性锁止等特征的空间可伸展机构。利用ADAMS软件对其关键部件——扭转弹簧的刚度系数进行了优化设计。对所研制的原理样机进行了试验分析,验证了可伸展机构的性能。     

索杆铰接式伸展臂动力学建模与分析

针对索杆铰接式伸展臂的结构特点,提出基于能量互等原理的伸展臂连续梁等效动力学模型的建模方法.推导出伸展臂桁架单元的应变能与动能关于节点位移、几何结构参数及材料参数的表达形式.基于伸展臂桁架与连续梁等效模型两者之间应变能、动能分别相等原理,建立伸展臂桁架结构与连续梁等效模型之间的几何结构参数与材料参数的联系式,推导出伸展臂连续梁等效模型的等效刚度矩阵和质量矩阵.运用提出的索杆铰接式伸展臂连续梁等效模型化方法计算出伸展臂原理样机的等效刚度和质量参数.分别运用连续梁等效模型和有限元模型对伸展臂的动力学特性进行分析,通过理论计算和仿真分析得到伸展臂前8阶固有频率.通过有限元仿真结果与伸展臂等效模型计算结果对比分析,验证伸展臂连续梁等效模型的正确性.通过对不同长度伸展臂各阶固有频率的对比,得出伸展臂连续梁等效模型对于分析大型索杆铰接式伸展臂动力学特性具有较高的精度.     

伸缩可控的杆状空间伸展机构研究

现存的大部分空间杆状伸展机构采用杆套杆式结构,其直径逐级递减,使得杆伸出长度受到限制,成形后的结构刚度不足,伸展收缩不可控,为此文中提出了一种伸缩可控的杆状空间伸展机构.该系统伸出杆采用螺旋管柱结构,杆伸展、收缩可控,杆的直径和刚度在伸展、收缩过程中不变.能带比较大的负载.控制伸出杆成形的机械系统结构简单、紧凑.以DSP TM320LF2407A为核心的BLDC数字控制系统实时性好,定位精度高.可用于低轨道卫星的重力梯度定位、展开天线及伸出臂,也可作为其它伸展机构的驱动臂来使用.     

正八面体空间伸展臂的八面体单元结构分析

任何空间形状都可以用空间基本单元体进行拼接,这里采用正八面体来拼接一种空间伸展臂.首先,对桁架形式的正八面体进行派生、转化,构建一种索杆混合的正八面体结构.而后,利用振动特性分析,对索进行去除,并且把多个正八面体进行拼接,构建出空间伸展臂结构.利用力密度法建立此系统的平衡方程,得到各构件的内力.利用二力杆的分析方法,得到整个系统杆构件的力与形变的关系式.通过具体数值的代入,得到了索预紧时此伸展臂轴线的偏角,从而证明了此伸展臂预紧方案是可行的.     

空间可展机构弹性动力学特性研究

将多级剪刀机构与复式螺旋机构组合,提出了一种新型的径射状可展天线伸展机构。采用动力有限元法建立空间可展天线伸展机构的单支机构动力学模型,采用振型叠加法对该机构进行弹性动力学分析。分析后发现,各阶固有频率随展开角度的不断变大会发生交叉,得出了天线展开速度、结构参数对系统稳定性的影响规律。为研究可展机构振动稳定性条件提供必要的参考数据,并为该天线的伸展机构设计与结构参数优化提供了依据。     

可重构模块化空间机械臂的模块库与构型

面向我国空间站战略计划实施,为了满足航天器舱内外各种任务需求,尤其是解决空间站复杂多样的在轨维修维护以及舱外的运行监测等问题,根据空间站典型的任务需求,基于模块化可重构机器人的设计思想,研究空间机械臂的各个功能模块,建立完整的模块库,根据任务需求,搭建了三种机械臂构型,并仿真验证了直线模块对机械臂工作空间的影响。     

空间相机重复展收机构薄膜防护罩设计及分析

空间光学相机是高精度系统,其主镜由重复伸展机构支撑到位并实现系统成像.为了提高空间光学相机可重复展收机构的精度,基于Miura折纸原理提出薄膜防护罩折叠方法并进行了参数分析.采用NX/SST仿真软件分析了伸展机构有无防护罩包覆的温度场,研究了主镜安装面在不同温度梯度下的变形规律,利用伸展机构防护罩样机进行了伸展机构可重复展收实验.结果表明本文设计的可重复折展薄膜防护罩的展开角θA=120°时,结构已完成接近85％的展开,此时模型形状依然规整,验证了防护罩的随动重复展收功能.通过热分析发现,有防护罩时伸展机构最高温度为12℃,最低温度为3.5℃,与无防护罩相比,最高温度降低了22℃,最低温度提高了51.5℃,防护罩有效降低了伸展机构的温度梯度.实验结果表明,伸展机构在进行了10次重复展开试验后,在X方向重复精度平均值的绝对值为0.00216 mm,Y方向为0.00596 mm,Z方向为0.00348 mm.本文设计的伸展机构具有较高的重复展收精度,基于折纸原理设计的薄膜防护罩具有良好的可重复展收、遮光和热控效果,可以有效保证光学相机在空间环境的应用.     

爬行机器人腿臂融合机构的研究

本文描述了爬行机器人腿臂融合机构，分析和计算了机构的运动空间，通过对机构运动的仿真证明，本文所研究的机构在运动空间上有了突破，从而实现腿臂融合功能。     

桁架式支撑臂模态分析与振动主动控制研究

建立了一维大型空间可展开桁架式支撑臂的动力学模型,计算了支撑臂各阶模态的频率和振型,以及在各阶模态下的杆件模态应变能。基于杆件模态应变能对压电陶瓷作动杆的位置进行了优化设计。基于独立模态空间方法运用二次型最优控制理论,对支撑臂进行振动主动控制研究。对含有主动构件的空间桁架式支撑臂的振动主动控制进行了仿真,比较了控制前后支撑臂振动幅值的变化。仿真结果表明,该控制策略具有较好的振动控制效果。