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近年来,随着地球资源的枯竭、人口膨胀和科学技术发展的需要,世界各国纷纷把研究的目光投向外太空,相继研制并发射了若干航天器,用于空间环境的探索和资源的开发。纵观众多的航天设备,空间站是到目前为止最为有效的进行空间开发和利用的手段之一,但是由于空间站的体积和质量都非常大,宇航员本身无法直接完成空间站的组装和日常维护工作,需要依赖于机械臂及其末端执行器系统完成上述任务。因此本文的研究目的是面向空间站的在轨装配、日常维护和载荷装卸等需求,研制一套具备大载荷操作能力的空间大型末端执行器地面原理样机,并对其操作过程中的关键技术展开研究。 在“大载荷、大容差、软捕获和高刚度”的设计原则下,本文研制的末端执行器采用柔性钢丝绳作为捕获操作的主要执行元件,实现对载荷的大容差软捕获操作;采用滚珠丝杠螺母机构作为拖动操作的主要执行元件,消除末端执行器和载荷之间的姿态偏差,实现末端执行器和载荷之间的完全对接;采用形锁合四连杆机构作为锁定操作的主要执行元件,完成末端执行器和载荷之间的高刚度连接,同时实现两者之间的电气连接。此外,本文研制的末端执行器多传感器系统包含驱动系统传感器、执行系统位置和速度传感器、执行系统力矩传感器,并设计安全保护装置,实现末端执行器的智能化操作的同时保证系统的安全性。 本文建立了末端执行器操作容差优化模型,并在该模型的基础上运用线性加权法和惩罚函数法获得了末端执行器操作容差最优值,并确定了相应的结构尺寸,为末端执行器结构设计提供理论依据,同时也为操作策略的制定奠定基础。 对末端执行器操作过程中的关键技术展开研究:针对柔性捕获元件钢丝绳的特点,本文提出了基于扭转阻尼弹簧的平面弯曲柔性钢丝绳模型,确定了钢丝绳的最终工作状态。并在该模型的基础上分析捕获过程的静力学问题,为确定末端执行器可操作载荷的大小提供依据;分析了拖动速度、旋转偏差以及定位瓣和定位槽之间的材料组合等因素对拖动接触力的影响,通过合理配置各参数,将拖动接触力控制在系统允许范围内;分析了锁定过程中的运动学和静力学问题,为制定更为合理的控制规律以及实现高刚度连接提供了保证。 在柔性捕获机构的基础上,为了进一步减小捕获过程对系统造成的冲击,保证系统的安全,本文提出了末端执行器Loop/Contact操作策略,通过在一个操作周期内,延长捕获接触时间来降低捕获接触力,抑制捕获冲击,使捕获过程平稳。 本文为所研制的末端执行器系统设计了6自由度地面模拟实验平台,并在该实验平台上进行末端执行器操作载荷实验、操作容差测定实验、拖动接触实验、Loop/Contact操作策略等实验,实验结果验证本文所设计的末端执行器机构合理、传感控制系统工作协调、操作容差优化模型正确、操作策略切实有效,达到了预期的功能要求。