压紧杆式太阳翼自动化加载设备设计与验证

基于对国内外太阳翼压紧释放机构预紧实施的现状及存在问题的研究,开展设备小型化、轻量化、可视化设计,研制了一种电机驱动拉伸压紧杆的力反馈型自动化加载设备。该设备采用特制的夹紧接口,并利用凸轮原理解决了狭小空间内压紧杆的的夹紧难题;采用拉力传感器和力反馈系统等将太阳翼压紧杆预紧力施加精度控制在5%以内,有效地解决了预紧力加载的精度问题和自动预紧问题。为验证设备性能,开展了预紧力误差分析,设计了一套采用电阻应变片实时测量预紧力的方案,得出设备工作时预紧力的变化情况。试验结果表明,自动化加载设备不受人员技能水平的影响,绝对精度最大值为3.11%,单次加载时间小于1 min。     

一种形状记忆合金压紧释放装置设计与试验

研制了一种压紧释放装置,利用分组滚棒减小释放阻力,采用微小间隙(≤0.05mm)主动控制压紧面横向位移,由形状记忆合金(SMA)丝作为装置驱动源。文章提出了求解释放阻力与SMA回复力的设计方法,并对部件关键参数进行了设计与分析。经过试验验证,在预紧载荷12 000N、供电电流2A、-15℃真空环境下,释放时间为7.6s。与测量结果相比,释放时间与回复位移计算误差小于5%。此SMA压紧释放装置结构简单、功耗低、压紧面滑动微小,适用于精密展开部件的压紧与释放。     

空间模拟碎片释放装置技术方案

为配合空间碎片主动清除技术的演示验证试验,提出了一种空间模拟碎片释放装置的技术方案:由模拟碎片及分离解锁装置组成。模拟碎片不具备任何合作特征,最初通过压紧杆与分离解锁装置相连,释放时由火工切割器切断压紧杆,模拟碎片在压缩弹簧的驱动下与分离解锁装置分离。最后,通过静载、模态、运动特性分析及分离解锁试验验证了该释放装置设计的正确性。     

柔索牵引式力觉交互机器人工作空间分析

为了在地面上实现航天员的虚拟作业训练，基于柔索牵引式并联机器人，研究了与VR技术结合的柔索牵引式力觉交互机器人的力螺旋可行工作空间。建立平面柔索的静力学模型，分析竖直平面内4柔索3自由度末端执行器不同位姿及人机交互力下的力螺旋可行工作空间，对比分析了柔索牵引式力觉交互机器人在实际应用中交叉柔索不同布局方式、外力旋量和末端执行器不同结构参数对力螺旋可行工作空间的影响。确定了合理的柔索牵引式力觉交互机器人的力螺旋可行工作空间、合理的柔索布局、末端执行器的结构参数。因为柔索牵引式力觉交互机器人具有工作空间大、可以提供较大的力及力矩、刚度可变、安全性高、人机交互性强等优点，因此可以满足航天员虚拟作业训练的需求。     

面向空间机械臂操作的力反馈手柄设计

针对我国空间站建设中对空间机械臂操作控制的应用需求,文章对空间机械臂操控手柄的机构和控制方法进行了分析,设计了一种三自由度力反馈手柄。该手柄以球面并行机构为依托,通过对机构关键参数的分析完成手柄构型设计;通过对电机力矩的调节,将机械臂与环境交互的力/力矩信息再现并作用于航天员的手部。该手柄设计将力反馈技术引入到空间机械臂的操作中,增加了航天员通过力交互的方式感知机械臂状态。试验结果表明,力反馈手柄能较好地辅助航天员操控空间机械臂,提高了空间机械臂执行任务时的操作效率。     

空间机械臂关节快换接口结构设计与分析

针对宇航员在轨出舱维护需求,提出一种机械锁紧与电气连接独立操作的快换接口,该快换接口具有在空间环境下拆装快速、拆装操作力小的特点,同时满足机械臂的刚度与承载能力。该接口由容差对接接口本体、机械连接锁紧装置、电连接器组件、电连接器插拔装置四个功能模块组成。采用双圆锥面配合设计容差对接凸凹本体结构。根据宇航员舱外操作的需求选择了具有平面浮动能力的快换接口电连接器,设计浮动装置使得该电连接器具有超行程量。采用曲柄滑块结构将操作工具的旋转运动转化为电连接器的直线运动,并基于驱动力矩最小确定曲柄滑块的参数。采用膨胀锁紧原理设计快换接口结构连接锁定装置,分析预紧力衰减对连接刚度的影响。     

热刀式压紧释放装置释放可靠性验证试验及评估方法

介绍热刀式压紧释放装置的功能及工作原理,确定该型压紧释放装置的释放可靠性特征量为核心元件＂热刀＂的可使用次数。基于＂热刀＂元件使用次数服从泊松分布的基本假设,提出该型压紧释放装置的释放可靠性验证试验及评估方法,包括选择试验方法、确定试验件的状态、试验条件、试验程序、故障判据及可靠性评估方法,并给出了应用示例,可为其释放可靠性评估提供技术途径。     

柔性机械臂关节作动的振动抑制方法和原理性验证

空间机械臂具有柔性大、振动频率低等特点，受激后振动的持续时间长、自然衰减慢。针对空间机械臂运行完成后留存的残余振动，采用固定界面子结构方法推导出关节转动与航天器-机械臂组合体振动的动力学显式关系。从中发现了控制关节转动并使其角速度正比于组合体振动的模态坐标，便能消耗组合体的机械能，加速组合体振动衰减的力学机理。据此，设计了逻辑关系简洁的机械臂关节角速度控制律，分别通过数值仿真和试验件实测对航天器-机械臂组合体的原理性模型开展了振动抑制效果的验证。结果表明:机械臂关节作动可以显著缩短受激后组合体残余振动的持续时间。     

温度变化对包带装置预紧力影响分析与验证

为研究温度变化对包带装置（CBD）预紧力的影响,提出包带装置温度影响系数计算方法:解析法和基于ABAQUS软件的仿真计算方法,并通过包带装置温度试验对提出的方法进行校验。结果表明：由解析法得到的结果与试验值偏差在5%以内;由仿真计算得到的结果与试验值偏差在15%左右,针对这一偏差,通过将仿真计算结果乘以1.15倍修正系数来对仿真计算方法进行修正。将研究结果应用于包带装置预紧力计算,在传统的包带装置预紧力计算公式中增加温度补偿项,提出了含温度影响的包带装置预紧力计算公式,可保证在最低温度环境下,包带装置预紧力仍然可以满足星箭力学承载要求、星箭连接要求;本文也提出在最高温度环境下,包带装置预紧力达到最大值,这为包带装置强度校核提供计算依据。     

包带式星箭解锁装置预紧力影响因素分析

分析了温度和外载荷对包带式星箭解锁装置预紧力的影响,推导出包带预紧力变化的计算公式。结合某卫星的星箭解锁装置静力试验,对包带式星箭解锁装置在不同温度和外载荷情况下的包带预紧力进行了测试。结果表明:在温度变化时,包带预紧力变化计算值与实测值相差2.8%～4.3%;在外载荷作用下,对接面上的压力越大,预紧力增加越大,计算值与试验结果相差11.5%～23.5%。上述分析结果对包带预紧力的计算具有一定的参考价值。     

基于定力撕裂带的绳网网型控制研究

针对柔性绳网空间碎片主动清除技术中的绳网回弹问题，提出一种基于“定力撕裂带”的网型控制方法，在绳网边线绳上加装定力撕裂带以抑制绳网的回弹运动。将绳网离散化后，建立描述绳网运动的集中质量模型，然后结合定力撕裂带的力学特性，运用虚功率原理推导了系统动力学方程。通过仿真计算，本文对比分析了加装和不加装定力撕裂带两种模式，以及不同撕裂力强度的绳网运动特性。仿真结果表明，该控制方法能够有效地提升绳网的有效工作时间和有效工作距离，可应用于未来的空间柔性捕获任务。     

不同重力环境下空间机构电机驱动力差异

为了分析空间机构在不同重力环境中的驱动力差异，以单关节机械臂为研究对象，进行不同重力环境下直流电机驱动力差异分析。首先基于拉格朗日方程推导出单关节机械臂的动力学模型，为分析不同重力环境下，负载、摩擦和转速的变化对电机驱动力的影响，通过设计一套基于单关节驱动的机械臂试验装置，进行地面重力环境、地面模拟微重力环境和落塔微重力环境试验。然后基于试验数据详细分析了不同重力环境下空间机构电机驱动电流的差异，并基于试验数据对电机动力学方程中的摩擦参数进行辨识，从而获得基于试验数据修正的机械臂动力学仿真模型，为空间机构动力学设计与应用提供理论与试验依据。     

芳Ⅲ编织绳动态拉伸性能研究

芳Ⅲ编织绳是常见的降落伞伞绳材料，在开伞过程中承受较大的冲击载荷，为研究其动态拉伸性能，文章以3.5-750芳Ⅲ编织绳为例，进行了动态拉伸试验及仿真模拟。首先使用万能强力机对3.5-750芳Ⅲ编织绳开展了4个不同应变率工况下的动态拉伸破坏试验，获得拉力-等效应变曲线，研究发现随拉伸应变率的增加，编织绳的断裂强力和弹性模量均增大，而断裂应变和韧性均减小。随后利用ABAQUS软件，建立了芳Ⅲ编织绳的纱线级有限元模型，依据试验结果对Johnson-Cook动态本构模型进行拟合及参数修正，并应用于编织绳动态拉伸破坏仿真，得到不同应变率下的仿真结果。与试验对比，研究表明，拟合、修正得到的Johnson-Cook动态本构模型可有效地模拟柔性编织绳动态拉伸行为，为柔性编织绳的动态力学性能研究提供了仿真手段。     

空间机械臂的刚-柔耦合动力学研究

本文对作大范围运动的空间机械臂的刚-柔耦合动力学特性进行了研究，从连续介质力学理论出发，在变形位移中计及了耦合变形量，用Jourdain速度变分原理导出了作大范围运动的空间机械臂的动力学方程，分别用耦合模型和不计耦合变形量的零次近似模型计算了机械臂端点的变形位移，揭示了两种模型的动力学性质的差异。为了确定零次近似模型的适用范围，引入相关系数，仿真计算结果表明，零次近似模型仅适用于相关系灵敏的最大值小于0.1的情况。     

空间机械臂关节动力学建模与分析的研究进展

空间机械臂的机械部分是一个由关节和臂杆等结构、机构部件组成,在空间零重力环境下运行的多体系统。关节是空间机械臂的核心部件,在机械臂动力学特性中起着重要的作用。准确全面地了解关节的动力学特性,是正确分析与模拟机械臂系统空间运动特性的关键,而建立精确的关节动力学模型,是机械臂系统设计、分析和控制的基础。文章结合空间应用的特殊性,对机械臂关节动力学建模方法的发展过程和研究成果进行了总结;并讨论了关节模型的求解算法;最后,对空间机械臂关节动力学建模与分析方面有待进一步研究的问题进行了展望。     

空间机械臂建模方法与控制策略研究

针对刚柔耦合空间机械臂动力学建模中对柔性体采用的传统描述方法（有限元法、模态综合法以及集中参数法等）并不足以精确描述柔性大变形的问题,采用绝对节点坐标法描述柔性体,采用自然坐标法描述刚性体,建立了末端带集中质量的双连杆柔性机械臂的动力学模型并且研究了机械臂的空间定位问题。结合广义α法以及工程上常用的Scaling技术,开发了计算程序,实现了动力学方程的高效精确数值求解。针对机械臂的空间定位以及柔性变形问题,提出了一种运动规划方案,采用PD控制策略,实现了机械臂的运动跟踪控制;仿真结果表明：提出的运动规划方案能有效地减弱机械臂的柔性变形。     

一种可伸缩空间机械臂及其应用分析

介绍一种能够完成多关节型空间机械臂所能承担的大部分空间任务 ,而且应用更简便的可伸缩空间机械臂 ,对其空间应用做出了一些设想 ,简单讨论了其应用的一些相关问题 ,肯定了其可行性和实用性。     

空间机械臂关节失效瞬时力矩突变抑制

针对空间机械臂执行负载操作任务突发关节失效引起的关节负载补偿力矩突变问题，建立了关节负载补偿力矩突变优化模型及求解方法。首先分析关节负载补偿力矩突变原因，以故障瞬间力矩突变量最小为目标，考虑突发关节故障，建立关节负载补偿力矩突变优化模型；其次构造含有抑制系数及静力学可操作度梯度的关节力矩修正项，并构造最优抑制系数函数，求解关节力矩突变优化问题；最后通过仿真对关节负载补偿力矩突变优化方法的正确性和有效性展开验证。结果表明：通过搜索最优抑制系数，突发关节失效引起的关节负载补偿力矩突变可被有效抑制，平均抑制率高达89.26%，且末端操作力精度不受影响，保证了空间机械臂负载操作任务安全可靠完成。     

Decentralized vibration control of a multi-link flexible robotic manipulator using smart piezoelectric transducers

The work in this paper is aimed to investigate the use of a decentralized control system for suppressing vibration of a multi-link flexible robotic manipulator using embedded smart piezoelectric transducers. To achieve this, a non-linear dynamic model of a flexible robotic manipulator with smart piezoelectric actuators/sensors, is developed based on the co-rotational finite element method. The method incorporates multiple co-ordinate (co-rotational) systems which rotate and translate with each element, so that the geometric non-linearity present in rotating manipulator system can be dealt with efficiently. The placement of piezoelectric actuators and sensors over the flexible links are considered for the application of decentralized control system. A numerical study shows that the developed co-rotational finite element method can be utilized to investigate the piezoelectric actuator/sensor placement and vibration control performances for a multi-link flexible manipulator undertaking complicated motion.