面向空间应用的大跨度四绳索牵引并联机构研究

发布时间：2020-05-21 04:09

【摘要】：随着航天技术的发展,空间站、大型SAR卫星等航天器的尺寸将越来越大。航天器尺寸增加后,需要对航天器本体进行在轨监视和在轨精度测量。开发可支持监视相机和测量相机大范围移动的、具有一定位置精度且具有轻量化特点的执行机构将成为新的工程需求。传统的空间机械臂质量较大,难以支持观测设备在大范围内较高速的运动,因此,本文提出了一种面向空间应用的大跨度四绳索牵引并联机构,用于解决空间站等大型航天器的在轨监测难题,并为未来在轨建造和在轨服务提供理论支撑和技术储备。文章首先对机构构型开展研究。对大型航天器在轨监测任务进行分析,明确空间大跨度绳索牵引并联机构所需要的自由度,根据自由度确定所需绳索数量的最小值。综合考虑绳索出线点安装位置、监测元件形状等因素,确定绳索数量,提出了三种不同的构型,以绳索牵引并联机构的工作空间、绳索间是否产生干涉作为指标要求,对机构的构型进行比较分析,确定了最佳构型。针对该构型,采用矢量代数法和Newton-Raphson迭代法对空间大跨度绳索牵引并联机构进行运动学逆解和运动学正解分析,为后续绳索牵引并联机构的轨迹规划及运动控制提供重要理论基础。为获得更优异的位置精度和动态控制性能,需要开展机构的动力学模型研究。基于胡克定律建立了空间大跨度绳索牵引并联机构的刚度模型,分析中心执行器(监测元件)在不同位置处系统的刚度特点,通过仿真对所建立的刚度模型进行验证,从而得出空间大跨度绳索牵引并联机构的刚度特性。基于牛顿——欧拉方程建立了空间大跨度绳索牵引并联机构的动力学模型,考虑到绳索长度较大使得绳索质量增加,在未考虑绳索质量的绳索并联机构动力学模型的基础上,建立了考虑绳索质量的精确动力学模型。分别基于两种动力学模型对空间大跨度绳索牵引并联机构不同运动轨迹下绳索张力分布进行对比分析,验证了所建立的考虑绳索质量的系统动力学模型的必要性。在建立动力学模型的基础上,开展控制算法研究工作。分别采用抛物线插值法、梯形函数法及五次多项式轨迹规划方法对空间大跨度绳索牵引并联机构进行点对点运动轨迹规划,以运动过程中速度、加速度和冲击为指标对三种轨迹规划方法进行对比,提出了一种性能更优的组合五次多项式轨迹规划方法,通过仿真对该方法的有效性进行了验证。针对绳索只能单向受力的特点,采用动力学控制方法设计了两种不同的控制器,对比了两种控制器的性能,为了进一步提高机构的控制精度和控制稳定性,提出了一种力位混合控制方法,并针对该方法设计了相应的位置控制器和力控制器,在ADAMS环境中建立了空间大跨度绳索牵引并联机构的高保真模型,基于MATLAB对不同控制方法进行了仿真,仿真结果验证了力位混合控制方法的有效性和鲁棒性。研制了一套面向空间应用的大跨度四绳索牵引并联机构的缩比样机,规划了两种不同的轨迹,完成了线性反馈控制实验和力位混合控制实验,实验结果对两种控制方法的有效性进行了验证,通过对比两种控制方法表明力位混合控制方法具有更好的控制精度和鲁棒性。
【图文】：

绳索牵引,宾夕法尼亚大学,根数,并联机构

图 1-1 NIST 图 1-2 SkyCam宾夕法尼亚大学Gorman等分析了绳索牵引并联机构不同绳索根数和绳索结构对自由度的影响，研制了一种三根绳索牵引的用于吊装货物的并联机如图 1-3 所示），对其进行了运动学和动力学分析，根据动力学模型设计了控制系统[9]。俄亥俄大学 Jigar Vadia 等研制了一种用于在虚拟现实环境中构建触觉界三自由度平面绳索牵引并联机器人（如图 1-4 所示），操作者可以控制中心器实现平面内的两个平动自由度和一个绕中心轴的转动自由度，设计者对其

吊装机,宾夕法尼亚大学

图 1-3 宾夕法尼亚大学吊装机器人图 1-4 俄亥俄大学三自由度平面机器人Miermeister P 等研制了一种用于模拟飞行驾驶的绳索牵引并联机构CableRobot（如图 1-5 所示），“机舱”通过八个绞车驱动，每个绞车通过钢索与正二十面体状的“机舱”相连接，最大速度可达 5m/s，最大加速度可达 14m/s2，.采用柔索驱动的方式减小了整个系统的质量，极大地增加了工作空间，并且提供了较好的柔性[15]。Lamaury J 等研制了一种用于搬运货物的绳索牵引并联机器人（如图 1-6 所示），为了实现最大的工作空间，采用了冗余驱动的方案，由八根绳索牵引运动平台在空间内进行六个自由度的运动，这也增加了控制算法的复杂程度，为此，Lamaury J 等提出了一种计算效率较高的绳索张力控制算法，从而更好地控制运动平台[16]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH112;V44

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