末端執(zhí)行器抓取動力學及其半物理仿真研究.pdf

1、隨著我國空間站的建設，急需一套機械臂來完成在軌組裝、在軌維護、在軌搬運等在軌服務任務。在軌抓取是在軌服務技術的基礎，機械臂對目標物的抓取是通過末端執(zhí)行器與目標適配器的連接來實現(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、風險高，末端執(zhí)行器在正式投入使用前，需在地面上對末端執(zhí)行器進行綜合性能測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)行器抓取動力學模型，在此基

2、礎上提出了末端執(zhí)行器抓取動力學半物理仿真系統(tǒng)。其工作原理是將六維力傳感器測得的接觸碰撞力輸入到抓取動力學模型中，解算出末端執(zhí)行器與目標適配器的相對運動，Stewart平臺帶著固定在平臺上的目標適配器復現(xiàn)這種相對運動。為分析抓取過程中末端執(zhí)行器與目標適配器的相對運動，分別建立了基于剛性機械臂和基于柔性機械臂的末端執(zhí)行器抓取動力學模型。經仿真對比驗證，基于柔性機械臂的末端執(zhí)行器抓取動力學模型能更加精確地描述相對運動。經分析接觸碰撞力、機械臂

3、的剛度與阻尼、航天器的質量和位置矢量等因素對抓取過程中相對運動的影響，并結合機械臂的結構特點，得到減小相對運動的有效措施是減小接觸碰撞力，這對提高抓取的成功概率具有指導意義。穩(wěn)定性是末端執(zhí)行器抓取動力學半物理仿真系統(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平臺的速度增益、機械的剛度與阻尼、航天器的質量等因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，將影響較小的機械臂的阻尼忽略，簡化了半物理仿

4、真系統(tǒng)的模型。進而利用勞斯判據(jù)求得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。將鋼絲繩等效于彈簧-阻尼器，構建單自由度半物理仿真系統(tǒng)，用于驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。經仿真驗證，系統(tǒng)的穩(wěn)定條件是正確的。為順利搭建末端執(zhí)行器抓取動力學半物理仿真系統(tǒng)，詳細設計了抓取動力學解算單元、伺服控制單元、運動模擬器三大部分，并對半物理仿真系統(tǒng)的工作過程進行研究。經虛擬樣機上的初步仿真，半物理仿真系統(tǒng)能模擬末端執(zhí)行器抓取動力學過程，但是精度較差。經分析，半物理仿真系統(tǒng)的誤差是由于接口（末

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