末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)及其半物理仿真研究.pdf

1、隨著我國(guó)空間站的建設(shè)，急需一套機(jī)械臂來完成在軌組裝、在軌維護(hù)、在軌搬運(yùn)等在軌服務(wù)任務(wù)。在軌抓取是在軌服務(wù)技術(shù)的基礎(chǔ)，機(jī)械臂對(duì)目標(biāo)物的抓取是通過末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器的連接來實(shí)現(xiàn)的。在軌抓取的成功依賴于末端執(zhí)行器可靠的工作。由于航天事業(yè)投入大、風(fēng)險(xiǎn)高，末端執(zhí)行器在正式投入使用前，需在地面上對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行綜合性能測(cè)試及考查成功抓取的邊界條件。所以在地面上末端執(zhí)行器抓取過程是很有必要的。
　　本文建立了末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)模型，在此基

2、礎(chǔ)上提出了末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)。其工作原理是將六維力傳感器測(cè)得的接觸碰撞力輸入到抓取動(dòng)力學(xué)模型中，解算出末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Stewart平臺(tái)帶著固定在平臺(tái)上的目標(biāo)適配器復(fù)現(xiàn)這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為分析抓取過程中末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分別建立了基于剛性機(jī)械臂和基于柔性機(jī)械臂的末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)模型。經(jīng)仿真對(duì)比驗(yàn)證，基于柔性機(jī)械臂的末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)模型能更加精確地描述相對(duì)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)分析接觸碰撞力、機(jī)械臂

3、的剛度與阻尼、航天器的質(zhì)量和位置矢量等因素對(duì)抓取過程中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，并結(jié)合機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得到減小相對(duì)運(yùn)動(dòng)的有效措施是減小接觸碰撞力，這對(duì)提高抓取的成功概率具有指導(dǎo)意義。穩(wěn)定性是末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)的首要條件。為研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了單自由度半物理仿真系統(tǒng)模型。通過分析鋼絲繩的剛度與阻尼、Stewart平臺(tái)的速度增益、機(jī)械的剛度與阻尼、航天器的質(zhì)量等因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，將影響較小的機(jī)械臂的阻尼忽略，簡(jiǎn)化了半物理仿

4、真系統(tǒng)的模型。進(jìn)而利用勞斯判據(jù)求得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。將鋼絲繩等效于彈簧-阻尼器，構(gòu)建單自由度半物理仿真系統(tǒng)，用于驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。經(jīng)仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是正確的。為順利搭建末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了抓取動(dòng)力學(xué)解算單元、伺服控制單元、運(yùn)動(dòng)模擬器三大部分，并對(duì)半物理仿真系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行研究。經(jīng)虛擬樣機(jī)上的初步仿真，半物理仿真系統(tǒng)能模擬末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)過程，但是精度較差。經(jīng)分析，半物理仿真系統(tǒng)的誤差是由于接口（末

5、端執(zhí)行器實(shí)物模型與抓取動(dòng)力學(xué)解算單元的交互媒介）的滯后特性造成的。通過對(duì)接口的傳遞函數(shù)分析，當(dāng)半物理仿真系統(tǒng)工作在半物理仿真頻帶上時(shí)，接口傳遞函數(shù)為單位陣，半物理仿真系統(tǒng)的誤差為零。針對(duì)接口特性引起的滯后，提出采用滯后補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ涌跍蟮挠绊?，同時(shí)給出了滯后補(bǔ)償?shù)倪m用條件。單自由度半物理仿真系統(tǒng)的仿真表明，滯后補(bǔ)償能大大提高半物理仿真的精度。為驗(yàn)證末端執(zhí)行器抓取動(dòng)力學(xué)半物理仿真系統(tǒng)的可行性和相關(guān)結(jié)論，采用ADAMS與Simulink