【摘要】：隨著航天技術的發(fā)展,空間站、大型SAR衛(wèi)星等航天器的尺寸將越來越大。航天器尺寸增加后,需要對航天器本體進行在軌監(jiān)視和在軌精度測量。開發(fā)可支持監(jiān)視相機和測量相機大范圍移動的、具有一定位置精度且具有輕量化特點的執(zhí)行機構將成為新的工程需求。傳統(tǒng)的空間機械臂質量較大,難以支持觀測設備在大范圍內較高速的運動,因此,本文提出了一種面向空間應用的大跨度四繩索牽引并聯(lián)機構,用于解決空間站等大型航天器的在軌監(jiān)測難題,并為未來在軌建造和在軌服務提供理論支撐和技術儲備。文章首先對機構構型開展研究。對大型航天器在軌監(jiān)測任務進行分析,明確空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機構所需要的自由度,根據(jù)自由度確定所需繩索數(shù)量的最小值。綜合考慮繩索出線點安裝位置、監(jiān)測元件形狀等因素,確定繩索數(shù)量,提出了三種不同的構型,以繩索牽引并聯(lián)機構的工作空間、繩索間是否產生干涉作為指標要求,對機構的構型進行比較分析,確定了最佳構型。針對該構型,采用矢量代數(shù)法和Newton-Raphson迭代法對空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機構進行運動學逆解和運動學正解分析,為后續(xù)繩索牽引并聯(lián)機構的軌跡規(guī)劃及運動控制提供重要理論基礎。為獲得更優(yōu)異的位置精度和動態(tài)控制性能,需要開展機構的動力學模型研究�；诤硕山⒘丝臻g大跨度繩索牽引并聯(lián)機構的剛度模型,分析中心執(zhí)行器(監(jiān)測元件)在不同位置處系統(tǒng)的剛度特點,通過仿真對所建立的剛度模型進行驗證,從而得出空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機構的剛度特性�；谂ｎD——歐拉方程建立了空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機構的動力學模型,考慮到繩索長度較大使得繩索質量增加,在未考慮繩索質量的繩索并聯(lián)機構動力學模型的基礎上,建立了考慮繩索質量的精確動力學模型。分別基于兩種動力學模型對空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機構不同運動軌跡下繩索張力分布進行對比分析,驗證了所建立的考慮繩索質量的系統(tǒng)動力學模型的必要性。在建立動力學模型的基礎上,開展控制算法研究工作。分別采用拋物線插值法、梯形函數(shù)法及五次多項式軌跡規(guī)劃方法對空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機構進行點對點運動軌跡規(guī)劃,以運動過程中速度、加速度和沖擊為指標對三種軌跡規(guī)劃方法進行對比,提出了一種性能更優(yōu)的組合五次多項式軌跡規(guī)劃方法,通過仿真對該方法的有效性進行了驗證。針對繩索只能單向受力的特點,采用動力學控制方法設計了兩種不同的控制器,對比了兩種控制器的性能,為了進一步提高機構的控制精度和控制穩(wěn)定性,提出了一種力位混合控制方法,并針對該方法設計了相應的位置控制器和力控制器,在ADAMS環(huán)境中建立了空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機構的高保真模型,基于MATLAB對不同控制方法進行了仿真,仿真結果驗證了力位混合控制方法的有效性和魯棒性。研制了一套面向空間應用的大跨度四繩索牽引并聯(lián)機構的縮比樣機,規(guī)劃了兩種不同的軌跡,完成了線性反饋控制實驗和力位混合控制實驗,實驗結果對兩種控制方法的有效性進行了驗證,通過對比兩種控制方法表明力位混合控制方法具有更好的控制精度和魯棒性。
【圖文】：

圖 1-1 NIST 圖 1-2 SkyCam賓夕法尼亞大學Gorman等分析了繩索牽引并聯(lián)機構不同繩索根數(shù)和繩索結構對自由度的影響，研制了一種三根繩索牽引的用于吊裝貨物的并聯(lián)機如圖 1-3 所示），對其進行了運動學和動力學分析，根據(jù)動力學模型設計了控制系統(tǒng)[9]。俄亥俄大學 Jigar Vadia 等研制了一種用于在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中構建觸覺界三自由度平面繩索牽引并聯(lián)機器人（如圖 1-4 所示），操作者可以控制中心器實現(xiàn)平面內的兩個平動自由度和一個繞中心軸的轉動自由度，設計者對其

圖 1-3 賓夕法尼亞大學吊裝機器人 圖 1-4 俄亥俄大學三自由度平面機器人Miermeister P 等研制了一種用于模擬飛行駕駛的繩索牽引并聯(lián)機構CableRobot（如圖 1-5 所示），“機艙”通過八個絞車驅動，每個絞車通過鋼索與正二十面體狀的“機艙”相連接，最大速度可達 5m/s，最大加速度可達 14m/s2，.采用柔索驅動的方式減小了整個系統(tǒng)的質量，極大地增加了工作空間，并且提供了較好的柔性[15]。Lamaury J 等研制了一種用于搬運貨物的繩索牽引并聯(lián)機器人（如圖 1-6 所示），為了實現(xiàn)最大的工作空間，采用了冗余驅動的方案，由八根繩索牽引運動平臺在空間內進行六個自由度的運動，這也增加了控制算法的復雜程度，為此，Lamaury J 等提出了一種計算效率較高的繩索張力控制算法，從而更好地控制運動平臺[16]。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH112;V44

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本文編號：2673713