空间充气展开绳网捕获系统动力学建模与分析

空间充气展开绳网系统在空间捕获中具有自身特殊的优势：占用体积小,展开后捕获范围大,且绳网由充气杆支撑,结构更加稳固,比空间飞网系统更加具有应用潜力。基于绝对节点坐标法（Absolute node coordinate method,ANCF）建立空间充气展开绳网捕获系统动力学模型,应用Hertz理论建立柔性体碰撞动力学模型,对系统进行动力学仿真分析。仿真表明,静力学和振动分析能够为机构力学参数选型提供参考,相比充气杆末端激励,绳网中部受到激励时对捕获机构振动影响更大;机构收口拉力随着充气杆刚度的增加而增大,对充气杆的放气处理可以降低其刚度,从而减小收口拉力,约为原来的10%,易于收口机构的设计。通过对期望目标的捕获仿真,分析了影响收口过程的关键指标,证明了捕获策略的合理性和动力学模型的准确性。研究结果能够对空间充气展开绳网捕获系统设计提供有效的依据。     

圈套式空间抓取装置抓取策略及动力学研究

圈套式空间抓取装置采用钢丝绳作为执行元件对目标实施柔性捕获,具有容差大、冲击低、连接刚性高的优点,适合作为大型空间机械臂的末端执行器,用来对高质量、大体积的空间大型目标进行抓取操作。对圈套式空间抓取装置进行研究,给出了圈套式空间抓取装置的结构特点、抓取原理以及"柔性捕获-刚性连接"的抓取策略;对捕获阶段的动力学过程进行分析,利用牛顿-欧拉混合坐标法建立了数学模型,数值仿真试验结果证明动力学过程推导合理,模型建立正确。     

空间刚柔耦合并联机器人动力学建模及仿真

为研究柔性构件对系统运动特性的影响,对空间3-RRRU并联机器人进行了动力学建模及耦合特性的仿真分析。应用矢量闭环法对空间并联机构的逆运动学进行求解,推导出各个构件位置、速度、加速度的变化规律;根据第一类Lagrange方程建立空间全刚性并联机器人的逆动力学模型;运用MATLAB软件对空间并联机构进行仿真,并对动力学数值结果和仿真结果进行对比,以验证模型的正确性。基于ANSYS软件和ADAMS软件,对空间并联机构中的空间梁单元进行柔性替换,通过建立空间刚柔耦合并联机器人模型,分析机构在运动状态下展现出的耦合特性,并与空间全刚性并联机器人进行比较。结果表明:两类模型的末端执行器的运动趋势一致,轨迹误差在0.000 7～0.419 4 mm范围内;梁单元产生的弹性变形对系统运动性能产生了重要影响,因此,建立正确的刚柔耦合动力学模型具有重要的指导意义。     

柔性空间机械臂捕获卫星碰撞动力学分析、镇定运动神经网络控制及抑振

讨论漂浮基柔性空间机械臂在轨捕获卫星过程的接触、碰撞动力学建模和碰撞后混合体系统镇定运动控制及柔性振动主动抑制问题。在机械臂末端手爪与被捕获卫星接触、碰撞前,结合假设模态法和拉格朗日法建立空间机械臂系统动力学模型。在接触、碰撞持续过程,考虑空间机械臂与卫星间的运动几何关系、力传递关系,并基于动量守恒关系,分析接触、碰撞对空间机械臂系统刚性运动和柔性振动状态的影响效应。在接触、碰撞后,根据空间机械臂与目标卫星的相互作用内力关系,建立两者混合体系统的综合动力学模型,并针对上述接触、碰撞的影响效应,基于奇异摄动理论将混合体系统综合动力学模型分解为快、慢变子系统,其中,快变子系统表征系统柔性振动,慢变子系统表征系统刚性运动,并对慢变子系统设计镇定运动的径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络控制算法,而对快变子系统设计振动主动抑制的线性二次最优控制算法。数值仿真证实上述控制算法的有效性。     

双臂空间机器人捕获非合作目标冲击效应分析及闭链混合系统力/位形鲁棒镇定控制

分析漂浮基双臂空间机器人捕获非合作目标所受的冲击影响效应,及捕获后空间机器人和目标组成的闭链混合系统对目标夹持内力和位形的鲁棒镇定控制。将捕获目标过程视为两机械臂末端与目标碰撞前、碰撞过程和碰撞后三个阶段。在碰撞前空间机器人和目标是分离的两分体系统,利用第二类拉格朗日方程建立漂浮基双臂空间机器人系统的动力学模型。在机械臂末端与目标碰撞阶段,基于空间机器人与目标总动量守恒,利用动量定理计算翻滚目标对空间机器人运动状态的冲击影响效应。在碰撞后,双臂空间机器人已捕获翻滚目标并组成闭链混合系统,针对混合系统在碰撞阶段受冲击影响而产生不稳定运动,提出一种鲁棒控制算法对其进行镇定控制,以实现双臂对目标夹持内力和空间机器人位形的协调控制,并达到期望的稳定状态。数值仿真验证了上述控制算法的有效性。     

在轨替换单元杆锥式三维碰撞动力学行为

为研究在轨替换单元与目标航天器定位导向过程中的接触碰撞动力学行为,以配备有杆-锥式定位导向结构的目标航天器与在轨替换单元(ORU)为研究对象,考虑定位导向机构的结构特点与实际定位过程的位姿状况,建立了航天器与ORU定位导向过程的三维碰撞动力学模型(NE-CR-LN三维接触动力学模型),并推导了三维空间中锥-杆间碰撞检测方程。该模型应用矢量分析方法,考虑锥-杆导向系统的自身特点将其划分出四种不同的接触工况。通过将模型数值结果同LS-DYNA仿真结果及文献模型进行对比分析,验证了NE-CR-LN动力学模型的正确性。针对ORU的定位要求,进行典型定位导向工况下的接触碰撞仿真及试验分析,导向仿真过程和动态分析结果表明,NE-CR-LN三维接触动力学模型可以在一定条件下模拟实际接触碰撞过程。     

基于Simulink的车辆动力学仿真模型研究

采用Simulink分别建立了车辆垂向—横向空间动力学模型、垂向动力学模型以及横向动力学模型,并根据三者的动力学性能仿真表现,对比提出了三种动力学模型的适应工况。     

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺无源神经网络H∞控制

研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构--旋转型串联弹性执行器(RSEA),可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量;结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型;之后,结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型,并计算了碰撞过程的冲击力矩;最后,基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明,配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩,最小也可减小47.8%;而在镇定运动阶段,各关节冲击力矩均受限在安全范围内,实现了对关节有效地保护。     

基于滑模控制的空间机器人软硬性抓取

采用滑模控制对空间机器人捕获漂浮目标的软硬性抓取进行研究。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。建立空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入末端装置抓取目标时的碰撞模型,并引入动态抓取域用于机械臂抓取目标时的控制,随后应用滑模控制及基体姿态控制,以减小抓取碰撞冲击对系统的冲击干扰。滑模面参数表征了机械臂保持及跟踪状态的抗冲击能力,可通过其灵活改变机械臂刚性以获取不同抓取性态,包括接触式硬抓取及碰撞式软抓取。仿真表明,空间机器人捕获漂浮目标过程中,硬抓取能保持机械臂刚性,且关节变化小,末端抓取为持续接触;而软抓取时,机械臂受冲击而随动耗能,关节变化大,但对目标位置及基体姿态的冲击小,均约为硬抓取的50%。抓取性态的研究对空间机器人的捕获操作有着重要的理论及工程价值。     

含多间隙的折叠翼展开碰撞动力学仿真

基于非线性等效弹簧阻尼碰撞模型,建立含间隙的折叠翼展开机构的接触碰撞模型,利用ADAMS软件进行展开机构的动力学仿真,研究了间隙大小对折叠翼展开机构碰撞力的影响.结果表明,在折叠翼展开过程中,间隙的存在导致随机碰撞发生,随着间隙的增大,碰撞力幅值会加大,进一步影响机构的动力学特性.