球铰接杆式支撑臂构型参数分析

论述了球铰接杆式支撑臂的组成和主要构型参数。利用有限元分析软件建立了球铰接杆式支撑臂有限元模型,进行了模态分析并与试验结果进行了对比,验证了模型的正确性;分析了单元段跨距、套筒半径、横向框架边数和斜拉索预紧力对支撑臂性能的影响。结果表明单元段跨距的增加有利于支撑臂总体性能的提升,而套筒半径和横向框架边数的增加能提高支撑臂刚度但同时增加了系统总质量。斜拉索预紧力应从最小允许预紧力和球铰取得最大刚度值时对应的预紧力中选取较大值。分析结果为支撑臂的工程设计提供了依据。     

考虑斜拉索松弛的盘绕式伸展臂振动模型

盘绕式伸展臂展开后,由于预紧力的作用,横杆被压缩至弯曲状态,同时斜拉索张紧.振动幅度较大时,斜拉索会松弛.以建立一种可以描述上述情况下盘绕式伸展臂基频特性的模型为目的,针对弯曲横杆及可松弛斜拉索做了如下处理,用较小的弹性模量及相应的预应变来模拟横杆受压弯曲后刚度较小,并具有预应力的特点;用一根可拉压杆模拟两根交替松弛的斜拉索.按照上述思想将松弛前后的盘绕式伸展臂作为两种结构,分别在Ansys中建立模型,计算得到这两种结构的基频.之后将伸展臂等效为满足分段线性刚度特性的连续梁模型,其分段刚度对应斜拉索松弛前后两种结构.结合有限元模型得到的斜拉索松弛判据,建立振幅较大时盘绕式伸展臂的振动方程.使用等价线性化方法,得到盘绕式伸展臂等效频率随端部振幅的变化关系,并用Ansys的瞬态分析对上述等效频率结果进行了仿真验证.上述模型及结果可以作为盘绕式伸展臂的设计指导及振动控制的理论基础.      

基于比刚度最大的球铰接杆式支撑臂参数设计

球铰接杆式支撑臂的构型参数设计决定了支撑臂的质量、收拢包络尺寸、刚度和强度等特性。文章提出了一种基于球铰接杆式支撑臂展开后比刚度最大的构型参数设计方法,利用MATLAB和ANSYS联合仿真,分析了不同构型参数组合下支撑臂比刚度的变化规律。结果表明,对于20~100m范围内的球铰接杆式支撑臂,纵梁与横杆的长度比及套筒半径的优选范围随支撑臂总长度增加而增加。当支撑臂总长度分别为20m、60m和100m时,对应的套筒半径优选范围分别为0.3~0.4m、0.5~0.7m和0.6~0.9m。提出了基于比刚度最大的支撑臂参数设计流程。利用提出的设计方法对SRTM任务中球铰接杆式支撑臂进行了构型参数设计,设计结果与ADAM杆构型参数相近,表明设计方法正确、可行。     

空间索杆铰接式伸展臂性能参数分析与设计

提出了评价空间索杆铰接式伸展臂性能的主要参数,分析研究了空间索杆铰接式伸展臂的主要性能参数与伸展臂几何特征参数的相互关系.推导了伸展臂线密度、收拢率、弯曲刚度和抗弯强度等性能参数的表达式.分析了伸展臂材料特性对伸展臂性能参数的影响,讨论了空间索杆铰接式伸展臂的稳定性问题,分析了局部失稳与整体失稳的条件.基于抗弯强度约束、弯曲刚度和抗弯强度共同约束两种约束模式对伸展臂进行了设计,建立了伸展臂几何参数和线密度与抗弯强度和弯曲刚度之间的关系方程,并将设计结果与美国ADAM(Able Deployable Articulated Mast)伸展臂参数进行了对比分析.      

构架式空间可展开支撑臂

构架式空间可展开支撑臂在实现大尺寸高刚度航天器方面有着广泛的应用需求。文章论述了几种典型构架式空间可展开支撑臂的结构组成、工作原理和发展现状,从多个方面比较了不同类型构架式空间可展开支撑臂的特点,阐述了构架式空间可展开支撑臂发展趋势,指出球铰接杆式空间可展开支撑臂是适应大型化发展的空间可展开支撑臂主要发展方向,分析了实现球铰接杆式空间可展开支撑臂工程化尚需解决的关键技术。     

柔性机械臂辅助空间站舱段对接阻抗控制

空间机械臂辅助舱段对接过程中存在测量与控制误差,易导致对接机构间存在较大接触力,传统FMA (Force MomentAccommodation)控制方法在测量接触力时无法消除大负载惯性力对测量的影响,且测量仪器的引入会进一步降低空间柔性机械臂的刚度。为此,文章提出了柔性机械臂辅助大负载空间舱段对接的阻抗控制方法,采用拉格朗日法推导了空间机械臂的关节输入力矩方程作为前馈输入,建立了含动力学前馈的空间机械臂阻抗控制程序,并以在商业软件ADAMS中建立的空间柔性机械臂与对接舱段组成的系统动力学模型作为控制对象,对系统进行ADAMS灢Matlab联合仿真。仿真结果表明,按照此控制方法,系统可克服外力干扰使目标解析点按照期望的方式运动;同时,通过测量机械臂关节运动参数即可实现对外力的准确感知,而不需额外添加力传感器,既消除了大负载惯性力对测量的影响,也不会导致柔性机械臂刚度的降低。     

空间可展开天线模态测试与模型修正技术

为准确预测结构的力学特性,使仿真结果精确逼近试验结果,必须对有限元模型进行修正。由于网状可展开天线的有限元模型中存在着各类结构参数且内部索网属于柔性结构,索网索段由于预张力才具有刚度,结构的这一特殊性导致模型修正困难。对3 m可展开天线样机进行了模态测试,在样机自由状态下获取了结构的模态频率和振型;针对可展开天线这种柔性复杂结构模态参数难识别、待修正参数多的特点,对修正参数进行了有针对性的选择;使用基于设计参数灵敏度型的模型修正方法对有限元模型进行了修正,缩小了样机与仿真固有频率和振型之间的误差,得到一种处理含有索网结构的模态测试流程和模型修正方法。     

盘绕式伸展臂展开模式的力学原理

盘绕式伸展臂是一种空间伸展臂,可用于太阳电池阵、太阳帆、探测臂等空间伸展机构.它有2种展开模式:逐层展开和螺旋展开.以三角形横框铰接盘绕式伸展臂为对象,分析了以逐层展开模式伸展的原理.首先,由于斜拉索不可伸长,导致横杆在伸展臂变形过程中会发生弯曲,并有一个最大弯曲形态.通过在MSC.ADAMS中建立盘绕式伸展臂模型进行仿真计算,可以得到横杆刚度对伸展臂展开过程的影响.以此工作为基础,提出判据:纵杆对第2层横杆的压缩能力和横杆的抗弯能力决定了伸展臂的展开模式,利用相关仿真模型,对这一结论进行了验证.最后,用弹性细杆的Kirchhoff动力学研究了纵杆变形,得到了伸展臂构型参数和展开模式之间的规律.该结果可以作为盘绕式伸展臂设计阶段的参考.     

HEO倾角长期漂移与控制策略

考虑日月引力对卫星轨道的扰动影响,分析了大椭圆轨道(HEO)倾角漂移规律,推导了小倾角HEO轨道的倾角长期漂移解析公式。结合HEO轨道倾角保持要求,给出了相应倾角控制策略。以STK为比较验证软件平台,经仿真分析与比较可知:文中推导的小倾角HEO轨道的轨道倾角解析公式较STK计算偏差在5%以内,验证了解析公式正确性;基于推导的倾角长期漂移解析公式,进行了倾角控制仿真,仿真结果表明了控制策略的有效性,并同时体现了倾角长期漂移解析计算公式在工程中的作用。     

绳系卫星系统耦合振动频率的确定

将N(N≥2)体绳系卫星系统的各节系绳分为足够多的小段,如共有M-1段,每小段上的系绳张力可认为是常量。这样由N 体问题转化来的M 点问题即可逼真系绳张力沿系绳的变化。利用中间连接点的边界条件,M 点边界值问题可简化为等效的两点边界值问题,从而平面内耦合振动频率的求解归化为四阶行列式的求值。由绳系卫星系统运动中心概念推导出的每小段系绳张力的平均值,被用于系统振动频率的求解。并给出一套适合于编制计算程序的求解轨道平面内耦合振动频率的数学表达式,以及一组模拟计算结果。     

一种新型可展组合单元的自由度与运动学分析

提出了一种新型多自由度可展机构9RR-12URU,可作为大口径构架式可展天线支撑机构的最小组合单元。该机构包含3个3RR-3URU四面体可展单元,基于螺旋理论分析了单个四面体可展单元的自由度,进而采用拆分杆组法得到了9RR-12URU组合单元机构的自由度。基于节点的空间几何位置和坐标变换矩阵推导了可展组合单元机构在收拢/展开过程中各节点位置和速度的解析表达式,并采用RPY角描述了各节点相对于定节点的姿态变化。基于Adams软件对9RR-12URU组合单元机构的自由度和运动学理论分析进行了仿真验证,结果表明该机构具有收拢和调姿两种自由度,使机构达到最大折叠比。该新型多自由度可展组合单元机构结构简单、折叠比大,可用于曲面构架式可展开反射器中。     

磁力矩器的刚度控制技术及应用

使用磁力矩器控制俯仰轴带有偏置动量的卫星的姿态时,沿地磁场方向的控制力矩无法保证.刚度控制策略利用磁力矩器产生控制力矩,加速动量矩矢量绕轨道法线方向的旋转速度,使进动控制方向更快的与地磁场方向分离,进入进动控制的有利位置.针对运行在太阳同步轨道的偏置动量卫星,推导了加入刚度控制项后,其俯仰轴磁矩的表达式.利用蚁群算法ACA(Ant Colony Algorithm)对磁力矩器控制策略中进动反馈系数,章动反馈系数,刚度反馈系数3个反馈系数及相关的3个系数进行了寻优,利用优化的结果进行仿真实验.通过比较刚度控制策略和经典控制策略的仿真试验结果,证明在长期外部干扰力矩下,采用刚度控制可以改善进动控制效率,提高姿态控制精度.      

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

航天器附件联动展开机构优化设计

根据航天器附件展开运动功能要求,对联动展开机构进行了尺度综合,确立了一组独立的设计参数,推导了满足收拢和展开状态下基板位置要求的联动展开机构数学模型,并建立了参数化的机构展开动力学仿真模型,以对附件展开运动功能及动力学特性进行分析和验证,从而实现了机构的参数化设计与分析.在此基础上,以展开全程所需的最大驱动力矩最小化为目标,以满足收拢状态整体结构尺寸包络为约束条件,建立了联动展开机构优化模型,根据该优化问题的非线性特征以及设计空间的不连续性,采用模拟退火算法进行优化求解,最终得到了机构的最优尺寸,从而达到了降低展开驱动力矩、改善机构动力学性能的目的.     

空间旋转目标消旋力矩仿真分析

针对提高空间旋转目标消旋效率的问题,使用电磁场软件MAXWELL对球壳的消旋力矩进行分析。设计并建立了二维亥姆霍兹线圈仿真模型,并对仿真模型进行有效性验证,使用验证后的仿真模型分析了单因素影响下的球壳消旋力矩变化情况,进而对现有的球壳消旋力矩解析式进行修正。仿真结果表明,现有的球壳消旋力矩解析式有其适用条件,适用于厚度与半径之比小于0.023的球壳,新的球壳消旋力矩解析式与原有解析式相比计算误差更小。      

空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学分析

为验证空间站柔性机械臂系统在有初始位置、姿态误差的情况下能否成功完成辅助舱段对接任务,文章建立了空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学模型,模型考虑了对接机构的接触碰撞,依据关节精细动力学模型、力矩控制方法和阻抗控制程序进行了空间柔性机械臂辅助舱段对接过程仿真。仿真结果表明,当关节输出端位置测量精度为17位时,依靠阻抗控制的方法,空间柔性机械臂在主动舱存在最大位置误差150mm,最大姿态误差2.5°的情况下仍能完成对接;对接成功后,空间柔性机械臂系统控制力迅速下降,仍然能较好地保持构型,不会影响对接舱段的安全。     

柔性支撑控制力矩陀螺动力学建模与控制

针对柔性支撑引起控制力矩陀螺(CMG)框架控制性能下降的问题,建立了柔性支撑条件下控制力矩陀螺的动力学模型,分析了柔性支撑扰动力矩的耦合机理并给出了解析模型.据此,设计了 一种积分滑模控制策略,用于提升对CMG框架动力学特性变化和新增扰动力矩的鲁棒性.仿真结果表明,该控制策略相比传统的PID控制具有更好的动态过程和稳态...     

一种腿臂融合四足机器人设计与分析

设计了一种腿臂融合的四足机器人,其具有腿臂功能复用的分支,不仅可以实现行走,还可以进行操作。对该机器人的行走模式和操作模式进行了研究,首先,建立了机器人单腿运动学模型,推导出机身整体的逆运动学;其次,对腿臂功能复用分支的5自由度操作臂模型进行了运动学分析,提出了欠自由度操作臂保证末端位置和末端姿态2种情况下的逆运动学最优求解方法,并分别给出了位置或姿态偏差;然后,建立了支撑面、支撑腿、本体、操作臂所组成的串并混联机构的运动学模型,利用本体位移补偿操作臂末端位置偏差,从而实现操作臂末端精确操作;最后,对机器人本体、操作臂以及串并混联机构的工作空间进行了仿真,并利用实验验证了该机器人腿行走和臂操作的功能。     

充气展开自支撑臂振动模态分析

充气展开自支撑臂是由层合铝膜和离散自支撑壳组成,可在无充气压力下实现对有效载荷的支撑。为提高充气展开自支撑臂振动特性预测精度,首先,基于Timoshenko梁理论和哈密顿原理,推导了自支撑臂振动微分方程,提出了考虑充气压力的预应力和构型变化的梁单元模型。该单元模型考虑了结构自支撑壳的离散分布特性,使建立的质量矩阵更接近自支撑臂结构的真实值。然后,通过实验对该模型进行验证,结果表明本文方法比传统梁单元模型具有更好的精度。最后,分析了充气压力和自支撑壳宽度等参数对自支撑臂结构振动模态的影响规律,结果可为充气展开自支撑臂的设计提供理论参考。      

柔性关节自由漂浮空间机械臂递推自适应控制

针对柔性关节自由漂浮空间机械臂,在存在动力学参数不确定性的情况下,通过增加相对阻尼项,提出基于无源性的柔性关节自由漂浮空间机械臂的关节空间自适应控制器,然后得到其递推实现.递推自适应算法由两部分组成:一部分实现所需的机械臂控制力矩的递推,另一部分实现航天器参考速度和参考加速度的递推更新.针对六自由度柔性关节自由漂浮空间机械臂进行了仿真,验证了所设计的递推自适应控制算法的性能.