空間大型末端執(zhí)行器研制及其操作策略研究.pdf

1、近年來,隨著地球資源的枯竭、人口膨脹和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,世界各國紛紛把研究的目光投向外太空,相繼研制并發(fā)射了若干航天器,用于空間環(huán)境的探索和資源的開發(fā)?？v觀眾多的航天設(shè)備,空間站是到目前為止最為有效的進(jìn)行空間開發(fā)和利用的手段之一,但是由于空間站的體積和質(zhì)量都非常大,宇航員本身無法直接完成空間站的組裝和日常維護(hù)工作,需要依賴于機(jī)械臂及其末端執(zhí)行器系統(tǒng)完成上述任務(wù)。因此本文的研究目的是面向空間站的在軌裝配、日常維護(hù)和載荷裝卸等需求,研制一

2、套具備大載荷操作能力的空間大型末端執(zhí)行器地面原理樣機(jī),并對其操作過程中的關(guān)鍵技術(shù)展開研究。
　　在“大載荷、大容差、軟捕獲和高剛度”的設(shè)計原則下,本文研制的末端執(zhí)行器采用柔性鋼絲繩作為捕獲操作的主要執(zhí)行元件,實(shí)現(xiàn)對載荷的大容差軟捕獲操作;采用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)作為拖動操作的主要執(zhí)行元件,消除末端執(zhí)行器和載荷之間的姿態(tài)偏差,實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器和載荷之間的完全對接;采用形鎖合四連桿機(jī)構(gòu)作為鎖定操作的主要執(zhí)行元件,完成末端執(zhí)行器和載荷之間的高

3、剛度連接,同時實(shí)現(xiàn)兩者之間的電氣連接。此外,本文研制的末端執(zhí)行器多傳感器系統(tǒng)包含驅(qū)動系統(tǒng)傳感器、執(zhí)行系統(tǒng)位置和速度傳感器、執(zhí)行系統(tǒng)力矩傳感器,并設(shè)計安全保護(hù)裝置,實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的智能化操作的同時保證系統(tǒng)的安全性。
　　本文建立了末端執(zhí)行器操作容差優(yōu)化模型,并在該模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用線性加權(quán)法和懲罰函數(shù)法獲得了末端執(zhí)行器操作容差最優(yōu)值,并確定了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸,為末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù),同時也為操作策略的制定奠定基礎(chǔ)。
　　

4、對末端執(zhí)行器操作過程中的關(guān)鍵技術(shù)展開研究:針對柔性捕獲元件鋼絲繩的特點(diǎn),本文提出了基于扭轉(zhuǎn)阻尼彈簧的平面彎曲柔性鋼絲繩模型,確定了鋼絲繩的最終工作狀態(tài)。并在該模型的基礎(chǔ)上分析捕獲過程的靜力學(xué)問題,為確定末端執(zhí)行器可操作載荷的大小提供依據(jù);分析了拖動速度、旋轉(zhuǎn)偏差以及定位瓣和定位槽之間的材料組合等因素對拖動接觸力的影響,通過合理配置各參數(shù),將拖動接觸力控制在系統(tǒng)允許范圍內(nèi);分析了鎖定過程中的運(yùn)動學(xué)和靜力學(xué)問題,為制定更為合理的控制規(guī)律以及

5、實(shí)現(xiàn)高剛度連接提供了保證。
　　在柔性捕獲機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步減小捕獲過程對系統(tǒng)造成的沖擊,保證系統(tǒng)的安全,本文提出了末端執(zhí)行器Loop/Contact操作策略,通過在一個操作周期內(nèi),延長捕獲接觸時間來降低捕獲接觸力,抑制捕獲沖擊,使捕獲過程平穩(wěn)。
　　本文為所研制的末端執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計了6自由度地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺,并在該實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行末端執(zhí)行器操作載荷實(shí)驗(yàn)、操作容差測定實(shí)驗(yàn)、拖動接觸實(shí)驗(yàn)、Loop/Contact操作策略等