本文關(guān)鍵詞：末端執(zhí)行器抓取動力學及其半物理仿真研究

  更多相關(guān)文章： 末端執(zhí)行器 抓取動力學 半物理仿真 虛擬樣機 穩(wěn)定性 精度

【摘要】：隨著我國空間站的建設(shè),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(wù)任務(wù)。在軌抓取是在軌服務(wù)技術(shù)的基礎(chǔ),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。為實現(xiàn)地面上模擬末端執(zhí)行器抓取動力學過程,本文建立了末端執(zhí)行器抓取動力學模型,在此基礎(chǔ)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(fù)現(xiàn)這種相對運動。圍繞末端執(zhí)行器抓取動力學及其半物理仿真的問題,本文具體研究內(nèi)容有以下幾方面: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(jīng)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(jīng)分析接觸碰撞力、機械臂的剛度與阻尼、航天器的質(zhì)量和位置矢量等因素對抓取過程中相對運動的影響,并結(jié)合機械臂的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(zhì)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(gòu)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(jīng)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(shè)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(jīng)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(jīng)分析,半物理仿真系統(tǒng)的誤差是由于接口(末端執(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?同時給出了滯后補償?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(guān)結(jié)論,采用ADAMS與Simulink聯(lián)合仿真的方式建立了半物理仿真系統(tǒng)的虛擬樣機。虛擬樣機上的仿真結(jié)果與ADAMS中抓取模型的仿真結(jié)果對比,驗證了末端執(zhí)行器抓取動力學解算單元的正確性,虛擬樣機能完全復(fù)現(xiàn)末端執(zhí)行器抓取動力學過程。針對不同的抓取初始條件、目標航天器質(zhì)量與機械臂剛度,在虛擬樣機上進行仿真。仿真結(jié)果驗證空間抓取動力學半物理仿真系統(tǒng)的可行性,為實際搭建空間抓取半物理仿真試驗臺和展開試驗研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：末端執(zhí)行器 抓取動力學 半物理仿真 虛擬樣機 穩(wěn)定性 精度
【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】：2015
【分類號】：TP241;V441
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-22
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義11-12
• 1.1.1 課題背景11
• 1.1.2 研究的目的和意義11-12
• 1.2 末端執(zhí)行器的發(fā)展概況12-16
• 1.2.1 軌道快車項目末端執(zhí)行器12-13
• 1.2.2 SSRMS末端執(zhí)行器13-14
• 1.2.3 ERA末端執(zhí)行器14
• 1.2.4 ETS-VII末端執(zhí)行器14-15
• 1.2.5 中國大型末端執(zhí)行器15-16
• 1.3 末端執(zhí)行器抓取動力學的研究概況16
• 1.4 半物理仿真的研究概況16-18
• 1.5 末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與工作原理18-20
• 1.5.1 捕獲模塊18-19
• 1.5.2 拖動模塊19
• 1.5.3 鎖緊模塊19-20
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容20-22
• 第2章 末端執(zhí)行器抓取動力學分析22-42
• 2.1 引言22
• 2.2 航天器抓取過程的描述22-23
• 2.3 基于剛性機械臂的末端執(zhí)行器抓取動力學建模23-29
• 2.3.1 機械臂系統(tǒng)動力學模型24-26
• 2.3.2 目標航天器動力學模型26
• 2.3.3 航天器之間的相對定位26-29
• 2.3.4 相對運動29
• 2.4 基于柔性機械臂的末端執(zhí)行器抓取動力學建模29-32
• 2.4.1 基于柔性機械臂的末端執(zhí)行器動力學模型30-31
• 2.4.2 基于柔性機械臂的主動航天器動力學模型31-32
• 2.4.3 相對運動32
• 2.5 抓取動力學模型的驗證32-35
• 2.5.1 驗證基于剛性機械臂的末端執(zhí)行器抓取動力學模型32-33
• 2.5.2 驗證基于柔性機械臂的末端執(zhí)行器抓取動力學模型33-35
• 2.6 各參數(shù)對抓取過程中相對運動的影響35-39
• 2.6.1 接觸碰撞力的影響36
• 2.6.2 機械臂的阻尼與剛度的影響36-37
• 2.6.3 航天器質(zhì)量的影響37-38
• 2.6.4 位置矢量的影響38-39
• 2.7 接觸碰撞力的模型39-41
• 2.8 本章小結(jié)41-42
• 第3章 抓取動力學半物理仿真系統(tǒng)穩(wěn)定性研究42-58
• 3.1 引言42
• 3.2 末端執(zhí)行器抓取動力學半物理仿真系統(tǒng)的描述42-43
• 3.3 單自由度半物理仿真系統(tǒng)數(shù)學模型的建立43-46
• 3.3.1 單自由度抓取動力學的模型43-45
• 3.3.2 單自由度末端執(zhí)行器抓取動力半物理仿真系統(tǒng)的模型45-46
• 3.4 各參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響46-50
• 3.4.1 鋼絲繩的阻尼與剛度46-47
• 3.4.2 Stewart平臺的速度增益47-48
• 3.4.3 機械臂的阻尼與剛度48
• 3.4.4 末端執(zhí)行器質(zhì)量、目標航天器質(zhì)量和主動航天器質(zhì)量48-50
• 3.5 半物理仿真系統(tǒng)穩(wěn)定的條件50-51
• 3.6 仿真與驗證51-57
• 3.6.1 驗證方案51
• 3.6.2 仿真結(jié)果51-57
• 3.7 本章小結(jié)57-58
• 第4章 半物理仿真系統(tǒng)的工作過程及仿真精度研究58-73
• 4.1 引言58
• 4.2 半物理仿真系統(tǒng)的詳細設(shè)計58-62
• 4.2.1 抓取動力學解算單元58-60
• 4.2.2 伺服控制單元60-62
• 4.3 半物理仿真系統(tǒng)的工作過程62-66
• 4.3.1 抓取初始條件規(guī)劃62-63
• 4.3.2 末端執(zhí)行器抓取動力學仿真過程63-66
• 4.4 半物理仿真系統(tǒng)的仿真精度問題66-71
• 4.4.1 半物理仿真系統(tǒng)的仿真誤差的來源66-68
• 4.4.2 半物理仿真系統(tǒng)的滯后補償68-70
• 4.4.3 滯后補償?shù)姆抡嫜芯?/span>70-71
• 4.5 本章小結(jié)71-73
• 第5章 半物理仿真系統(tǒng)的虛擬樣機及仿真分析73-91
• 5.1 引言73
• 5.2 半物理仿真系統(tǒng)的虛擬樣機73-78
• 5.2.1 Stewart平臺建模73-74
• 5.2.2 末端執(zhí)行器建模74-76
• 5.2.3 目標適配器建模76
• 5.2.4 虛擬樣機76-78
• 5.3 半物理仿真系統(tǒng)的虛擬樣機的驗證78-79
• 5.3.1 末端執(zhí)行器抓取的ADAMS模型78
• 5.3.2 虛擬樣機上的仿真結(jié)果78-79
• 5.4 不同條件下的仿真分析79-90
• 5.4.1 抓取初始條件79-85
• 5.4.2 機械臂剛度85-87
• 5.4.3 目標航天器質(zhì)量87-90
• 5.5 本章小結(jié)90-91
• 結(jié)論91-93
• 參考文獻93-98
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果98-100
• 致謝100

【參考文獻】

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中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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本文編號：742583