一种仿生附着装置柔顺关节的优化设计

为提高仿生附着装置在捕获空间非合作目标物时对目标运动参数的适应性，设计了一种3自由度串联柔顺关节，可通过关节嵌入系统后的协调运动来辅助装置被动适应运动目标物姿态，并在运动过程中基于弹簧、阻尼缓冲器组成的关节柔顺机构及其能量耗散原理来降低目标物动能。为验证、优化关节性能，通过ADAMS虚拟样机软件建立了基于柔顺关节的仿生附着装置捕获过程运动学与动力学模型，分析了柔顺关节3组弹簧刚度系数、黏滞阻尼系数对非合作目标物捕获状态的影响，并利用ADAMS-iSIGHT联合仿真平台，通过多岛遗传算法对上述弹簧、阻尼器的重要参数进行了优化，极大提高了柔顺关节的能量耗散效果，同时保证了可捕获目标物运动参数达到规定要求。     

主被动复合驱动空间探测柔性伸杆机构的参数匹配简

 基于主被动复合驱动的思想提出一种大伸展/收拢比、高载荷/自重比的新型伸缩式伸杆机构,以满足微纳探测器的实际应用需求,用于支撑各类探测载荷远离航天器本体,避免本体剩磁对空间待测信号的干扰,保证探测数据的准确性。首先,探索描述被动驱动源（弹簧铰链）的力矩驱动特性;然后,分析柔性伸杆的弯曲、扭转、压平和卷曲等力学性能。在此基础上,结合建立的柔性伸杆伸展速度、负载动能、弹簧铰链势能及主动驱动（电动机）力矩等参数的能量流约束方程,进行主、被动驱动和柔性伸杆的参数匹配研究;最后,利用有限元软件仿真和样机平台实验验证了参数匹配的合理性。仿真与实验结果表明,针对主被动复合驱动的空间探测柔性伸杆机构,通过合理的参数匹配,可实现柔性伸杆无褶皱地平稳伸展和收拢,为后续的机构设计和控制方案奠定了基础。     

欠驱动指爪机构的被动弹性元件参数优化设计

欠驱动指爪机构具有抓取不同目标物的自适应性,可满足操作任务的多样化需求。其欠驱动特性使得被动弹性元件的参数对抓取性能的稳定性和自适应能力有很大影响。若弹簧刚度选择过小,欠驱动指爪的稳定性会降低;若弹簧刚度选择过大,指爪的自适应能力会下降。因此,本文基于抓取状态平面法,对欠驱动指爪的被动弹性元件参数进行优化设计。首先,在欠驱动指爪静力学分析的基础上,建立弹簧刚度与驱动力的平衡方程。然后,通过对不同抓取模式拓扑转换的定量分析,获得欠驱动指爪与目标物之间不同的接触状态;同时为了保证稳定抓取,考虑了不同抓取模式下指爪弹性元件刚度与驱动力矩的参数匹配关系。在此基础上,基于抓取状态平面法建立被动弹性元件刚度与机构稳定区域关系的解析表达,并基于稳定区域面积最大化的思想,进行弹簧刚度的最优设计。最后,基于不同的抓取状态模型对弹簧刚度进行了优化设计,为后续欠驱动指爪机构设计和控制应用奠定理论和技术基础。     

主被动复合驱动自适应指爪机构的抓取模式分析

为了满足空间在轨服务任务的多样化需求,基于主被动复合驱动思想提出一种自适应末端操作器——二指连杆欠驱动指爪机构,并对其抓取模式进行定量分析。首先,在描述指爪机构运动学关系的基础上,根据虚功原理建立机构的静力平衡方程。在此基础上,对其进行静力学分析可知,机构平衡状态下与目标物的接触力不仅取决于机构的几何尺寸,还与接触点位置有关;而机构的抓取模式取决于约束空间内系统的受力情况,因此该指爪能够根据不同形状目标物与机构接触点位置的不同,自适应地选择抓取模式,包括平行抓取、包络抓取等。最后,通过实验样机对不同形状物体进行抓取实验,验证了指爪机构抓取目标的自适应性,为后续的机构设计和控制应用奠定理论和技术基础。     

主被动复合驱动空间探测柔性伸杆机构的参数匹配

基于主被动复合驱动的思想提出一种大伸展/收拢比、高载荷/自重比的新型伸缩式伸杆机构,以满足微纳探测器的实际应用需求,用于支撑各类探测载荷远离航天器本体,避免本体剩磁对空间待测信号的干扰,保证探测数据的准确性。首先,探索描述被动驱动源(弹簧铰链)的力矩驱动特性;然后,分析柔性伸杆的弯曲、扭转、压平和卷曲等力学性能。在此基础上,结合建立的柔性伸杆伸展速度、负载动能、弹簧铰链势能及主动驱动(电动机)力矩等参数的能量流约束方程,进行主、被动驱动和柔性伸杆的参数匹配研究;最后,利用有限元软件仿真和样机平台实验验证了参数匹配的合理性。仿真与实验结果表明,针对主被动复合驱动的空间探测柔性伸杆机构,通过合理的参数匹配,可实现柔性伸杆无褶皱地平稳伸展和收拢,为后续的机构设计和控制方案奠定了基础。     

空间探测原子磁强计的主动磁补偿实验

在空间探测过程中,采用高灵敏无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计在行星表面进行磁场测量是原位物质成分分析的有效手段之一。为了提高SERF原子磁强计的磁场测量灵敏度,必须减小外界磁场扰动对其原子自旋SERF态质量的影响,基于SERF原子磁强计的测量原理,设计了一套主动磁补偿系统。首先,通过测量驱动激光光强获得3个方向的磁场信息;在此基础上,控制电流源和线圈主动产生一个与外界磁场扰动大小相同、方向相反的磁场来补偿扰动,以提高原子自旋SERF态的质量;最后,结合现有的SERF原子磁强计实验平台进行了实验验证。实验结果表明,与手动补偿方式相比,采用本文所述的主动磁补偿系统,可以实时跟踪磁场补偿点,降低系统信号的噪声,补偿了外界磁场的扰动,验证了磁强计主动磁补偿技术的有效性,为后续样机的研制奠定了技术基础。     

空间非合作目标惯性参数的Adaline网络辨识方法

空间在轨操作中,航天器在对空间非合作目标的抓捕行动常常导致航天器本体的姿态和空间轨迹发生变化。为克服空间非合作目标对航天器本体动力学、运动学的影响,使控制系统做出精准及时的姿控策略调整,确保航天器正常在轨工作和轨迹姿态的高精度,需对抓捕的非合作目标的惯性参数进行辨识。针对传统辨识方法依赖广义逆求解导致的辨识过程运算量大,且数值容易产生剧烈振荡,造成辨识结果不稳定等不足,采用基于归一化最小均方(NLMS)准则的Adaline神经网络方法进行空间非合作目标惯性参数的辨识。首先,基于动量守恒理论建立抓捕后的航天器—机械臂—空间非合作目标系统模型;然后将辨识方程的系数矩阵作为网络的输入和输出,空间非合作目标的惯性参数作为神经网络的训练权重,基于迭代步长可变的NLMS准则实现对目标惯量参数的快速、准确辨识;最后,在构造的ADAMS/MATLAB联合仿真平台上进行了验证。仿真结果表明,基于NLMS准则的Adaline神经网络是一种快速、准确辨识目标惯量参数的有效方法。     

基于触力感知的空间非合作目标惯量参数辨识方法研究

因空间机械臂系统内部存在较强的动力学与运动学耦合关系,为防止捕获操作对系统的姿态和轨迹产生影响,需对捕获的空间非合作目标的惯量参数进行精确辨识,针对传统的辨识研究仅考虑辨识的基本原理,忽略了实际辨识过程中存在的辨识误差等重要问题,提出了一种新颖的基于触力信息的空间非合作目标惯量参数完整辨识方法。先对辨识过程中存在的各种误差及其对辨识结果影响进行了理论推导,在此基础上提出了一种包含末端触力信息及末端执行器力、力矩信息的改进辨识方程,削弱辨识过程中误差的累积效应及其对辨识结果的影响。此外,考虑量测误差中包含复杂的噪声信息,提出了递推最小二乘法-仿射投影符号算法(RLS-APSA)混合算法,并基于此算法解算辨识方程,以确保辨识结果的稳定性。为验证所提辨识方法的有效性,构造了多自由度空间机械臂系统模型,用Adams-Matlab联合仿真平台进行相应的仿真实验,实验结果证实了所提辨识方法的有效性。