【摘要】：隨著航天技術(shù)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(duì)航天器本體進(jìn)行在軌監(jiān)視和在軌精度測(cè)量。開發(fā)可支持監(jiān)視相機(jī)和測(cè)量相機(jī)大范圍移動(dòng)的、具有一定位置精度且具有輕量化特點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)將成為新的工程需求。傳統(tǒng)的空間機(jī)械臂質(zhì)量較大,難以支持觀測(cè)設(shè)備在大范圍內(nèi)較高速的運(yùn)動(dòng),因此,本文提出了一種面向空間應(yīng)用的大跨度四繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu),用于解決空間站等大型航天器的在軌監(jiān)測(cè)難題,并為未來在軌建造和在軌服務(wù)提供理論支撐和技術(shù)儲(chǔ)備。文章首先對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)型開展研究。對(duì)大型航天器在軌監(jiān)測(cè)任務(wù)進(jìn)行分析,明確空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)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(diǎn)安裝位置、監(jiān)測(cè)元件形狀等因素,確定繩索數(shù)量,提出了三種不同的構(gòu)型,以繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間、繩索間是否產(chǎn)生干涉作為指標(biāo)要求,對(duì)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行比較分析,確定了最佳構(gòu)型。針對(duì)該構(gòu)型,采用矢量代數(shù)法和Newton-Raphson迭代法對(duì)空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解和運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析,為后續(xù)繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的軌跡規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)控制提供重要理論基礎(chǔ)。為獲得更優(yōu)異的位置精度和動(dòng)態(tài)控制性能,需要開展機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型研究。基于胡克定律建立了空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度模型,分析中心執(zhí)行器(監(jiān)測(cè)元件)在不同位置處系統(tǒng)的剛度特點(diǎn),通過仿真對(duì)所建立的剛度模型進(jìn)行驗(yàn)證,從而得出空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度特性。基于牛頓——?dú)W拉方程建立了空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型,考慮到繩索長(zhǎng)度較大使得繩索質(zhì)量增加,在未考慮繩索質(zhì)量的繩索并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建立了考慮繩索質(zhì)量的精確動(dòng)力學(xué)模型。分別基于兩種動(dòng)力學(xué)模型對(duì)空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同運(yùn)動(dòng)軌跡下繩索張力分布進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了所建立的考慮繩索質(zhì)量的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的必要性。在建立動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)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(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法對(duì)空間大跨度繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃,以運(yùn)動(dòng)過程中速度、加速度和沖擊為指標(biāo)對(duì)三種軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行對(duì)比,提出了一種性能更優(yōu)的組合五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法,通過仿真對(duì)該方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)繩索只能單向受力的特點(diǎn),采用動(dòng)力學(xué)控制方法設(shè)計(jì)了兩種不同的控制器,對(duì)比了兩種控制器的性能,為了進(jìn)一步提高機(jī)構(gòu)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(duì)該方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)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(jī)構(gòu)的高保真模型,基于MATLAB對(duì)不同控制方法進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)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(yīng)用的大跨度四繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)的縮比樣機(jī),規(guī)劃了兩種不同的軌跡,完成了線性反饋控制實(shí)驗(yàn)和力位混合控制實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)兩種控制方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,通過對(duì)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(xué)Gorman等分析了繩索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)不同繩索根數(shù)和繩索結(jié)構(gòu)對(duì)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(jī)如圖 1-3 所示），對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)[9]。俄亥俄大學(xué) Jigar Vadia 等研制了一種用于在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中構(gòu)建觸覺界三自由度平面繩索牽引并聯(lián)機(jī)器人（如圖 1-4 所示），操作者可以控制中心器實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的兩個(gè)平動(dòng)自由度和一個(gè)繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，設(shè)計(jì)者對(duì)其

圖 1-3 賓夕法尼亞大學(xué)吊裝機(jī)器人 圖 1-4 俄亥俄大學(xué)三自由度平面機(jī)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(jī)構(gòu)CableRobot（如圖 1-5 所示），“機(jī)艙”通過八個(gè)絞車驅(qū)動(dòng)，每個(gè)絞車通過鋼索與正二十面體狀的“機(jī)艙”相連接，最大速度可達(dá) 5m/s，最大加速度可達(dá) 14m/s2，.采用柔索驅(qū)動(dòng)的方式減小了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)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(yùn)貨物的繩索牽引并聯(lián)機(jī)器人（如圖 1-6 所示），為了實(shí)現(xiàn)最大的工作空間，采用了冗余驅(qū)動(dòng)的方案，由八根繩索牽引運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在空間內(nèi)進(jìn)行六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，這也增加了控制算法的復(fù)雜程度，為此，Lamaury J 等提出了一種計(jì)算效率較高的繩索張力控制算法，從而更好地控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[16]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH112;V44

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 秀實(shí);;秀實(shí)的詩[J];青海湖;2016年11期

2 藍(lán)曉;;壤巴拉組詩[J];草地;2016年06期

3 藍(lán)曉;;壤巴拉(組詩)[J];現(xiàn)代藝術(shù);2017年02期

4 汪，

本文編號(hào)：2673713