空间机械臂地面试验模型的相似动力学特性研究

摘要

随着空间站建设和外太空探索的深入，空间机械臂在航天领域的应用越来越广泛。由于很难实现在轨修复等操作，所以空间机械臂发射到指定位置工作之前，必须经过严格的地面试验。针对空间机械臂的两大特点展开相似动力学特性的研究:一是机械臂的大型结构，给地面试验带来诸多不便，且制造成本高;二是微重力或者低重力的空间环境。国内外学者多采用水浮法、气浮法等模拟空间机械臂的工作环境，导致模型试验存在操作不方便、风险大、成本高等问题。将两者考虑在内，提出克服重力加速度条件下的地面试验模型相似设计方法，完成模型对原型动力学特性的预测分析，在模型设计过程中通过改变材料、尺寸等，可以节省成本，简化操作。并且通过模型试验调节控制参数，可提高原型机械臂的控制精度，因此空间机械臂地面试验模型的相似动力学特性研究具有重要意义。 本文首先针对空间机械臂简化的刚性结构，在动力学建模的基础上，分别依据积分模拟法和量纲分析法，展开相似关系的推导，并通过算例数值仿真验证相似关系的正确性;其次，针对空间柔性机械臂的广泛应用，展开考虑连杆柔性在内的相似试验模型设计方法研究，采用混合坐标法和假设模态法动力学建模，基于量纲分析法推导相似关系，通过算例仿真进行简单柔性特征分析，基于系统固有参数的识别，展开振动抑制方法的研究;再者，针对关节柔性引起的运动稳定性问题，开展考虑关节柔性的空间机械臂相似试验模型设计，通过关节柔性简化和力矩传递进行动力学建模，基于相似关系的推导进行算例仿真，研究重要关节参数对系统动力学特性的影响。然后，同时考虑连杆和关节柔性进行多关节连杆机械臂地面试验模型的相似关系推广，并确定相似设计流程。最后，分别通过软件仿真和试验，对理论研究进行验证。

目录

声明

摘要

1．1研究背景

1．2研究目的和意义

1．3国内外研究现状

1．3．1空间机械臂的发展

1．3．2空间机械臂地面试验的研究进展

1．3．3相似设计方法的研究进展

1．4本文研究内容

第2章空间刚性机械臂相似动力学特性

2．1引言

2．2相似关系推导的理论依据

2．3空间两连杆机械臂的相似关系推导

2．4基于量纲分析法的结构参数和控制参数确定

2．4．1结构设计

2．4．2控制参数确定

2．5算例分析

2．6小结

第3章考虑连杆柔性的空间机械臂相似动力学特性

3．1概述

3．2柔性连杆弹性变形理论

3．3考虑连杆柔性的空间机械臂相似设计方法

3．3．1单连杆柔性机械臂的模型建立

3．3．2基于量纲分析法的相似关系推导

3．4算例及柔性特征分析

3．4．1算例分析

3．4．2刚性与柔性连杆的对比分析

3．5系统固有特性的识别

3．5．1 ANSYS分析

3．5．2锤击试验

3．6脉冲整形振动抑制方法研究

3．7小结

第4章考虑关节柔性的空间机械臂相似动力学特性

4．1概述

4．2考虑关节柔性的空间机械臂建模

4．3地面试验模型的相似设计

4．3．1积分模拟法相似关系的推导

4．3．2量纲分析法相似关系的推导

4．3．3算例分析

4．4关节参数对动力学特性的影响

4．5空间柔性机械臂的相似动力学特性

4．5．1动力学建模与相似关系推导

4．5．2多连杆柔性机械臂的相似设计

4．5．3相似流程确定

4．6小结

5．1概述

5．2机械臂物理样机的建立

5．2．1机械系统的搭建

5．2．2控制系统的搭建

5．2．3联合仿真

5．3相似模型与原型的仿真验证

5．3．1模型与原型的动力学仿真

5．3．2模型与原型的振动特性分析

5．4三自由度机械臂的运动仿真

5．5连杆柔性的研究及试验验证

5．5．1连杆柔性的仿真分析

5．5．2试验验证

5．6小结

第6章结论与展望

6．1主要结论

6．2研究展望

参考文献

致谢

附录