基于四面体桁架结构的空间抓捕机构设计与试验研究

发布时间：2020-06-04 17:23

【摘要】：随着当前空间探索活动和空间非合作目标数量的不断增加,对当前空间非合作目标进行抓捕、搬运、维修等能够有效地维护空间环境,并能够有效延长飞行器和卫星的使用寿命。在此类空间维护任务中,抓捕是其中重要的研究内容,目前国内外空间抓捕装置主要分为大型机械臂、小型灵巧手以及两者配合使用的装置,考虑抓捕目标的空间坐标、相关力学指标惯性作用,且不能自主调整状态的特点,提出一种基于四面体桁架结构的可实现空间抓捕需求的抓捕机构,能够实现对多种形状和尺寸的目标物体的抓捕。首先,本文完成了对所设计的抓捕装置进行了方案设计和基本尺寸的确定,完成了运动学和动力学分析以及仿真验证,提出三种抓捕策略,并研制了功能样机对抓捕策略与抓捕装置运动过程进行了验证。分析了单个基本单元的运动属性和运动特点,建立了直线推杆长度变化量与关节角度变化量之间的关系;分析基本单元的自锁属性,在抓捕运动范围内保证运动的连续性并避免自锁现象的发生;通过建立基本单元的优化模型,得到其尺寸结构参数;通过建立抓取目标与机械结构的几何关系得到整个空间装置的几何参数,完成整个装置的三维设计。建立了空间抓捕装置单臂的运动学模型,建立其位置、速度及加速度方程,通过建立D-H坐标系,利用齐次变换建立了运动学方程,并最终确定了直线推杆变化量和装置位姿之间的对应关系,将尺寸优化后的结构参数带入运动学方程,求得其参考点的运动轨迹及速度与角速度关系图像,并通过仿真对结果进行了验证。在运动学基础上,采用Lagrange方程法建立了针对空间抓捕装置单臂的动力学模型,通过分析抓捕装置抓捕过程中的速度、加速度、力矩之间的关系,分析了抓捕过程中力矩的变化关系。并基于抓捕装置特点,提出了三种针对不同类型抓取目标的抓取策略,并通过仿真模拟抓捕过程,得到直线推杆变化量与抓捕过程机械臂位姿的对应关系,为样机控制与试验提供理论指导。研制抓捕装置样机,通过完成多组不同形状、大小物体的抓捕试验,采取三种抓捕策略分别抓捕不同直径目标物体,记录过程中直线推杆的变化情况及目标位姿与实际轨迹的情况,验证理论分析的正确性。结果证明,该样机可以对理论最大抓捕半径物体进行抓捕,基于该装置提出的三种抓捕策略能够完成对抓捕目标的抓取。
【图文】：

图 1-1 第一代和第二代加拿大臂[3-4]图 1-2 Canadarm-2 末端的灵巧机械臂及可移动机座[4]在 Canadarm-1 的基础上，Canadarm-2 发射成功，并在 Canadarm-1 的协在国际空间站上。其性能更优，可依靠航天员通过控制平台操作杆进行自主操控。同时其自由度为 7，重量达 1.8 吨，操控负重达 260 吨，能够行空间作业。且机械臂的两端都安装有执行器手爪机构，可附着于任意为故定点进行灵活机动作业。其所携带的机械臂如图 1-2 所示，具有 1，能够进行较为精密的操作作业。此为，后期升空的可移动基座，配合

图 1-2 Canadarm-2 末端的灵巧机械臂及可移动机座[4]在 Canadarm-1 的基础上，Canadarm-2 发射成功，并在 Canadarm-1 的协装在国际空间站上。其性能更优，可依靠航天员通过控制平台操作杆进行操可自主操控。同时其自由度为 7，重量达 1.8 吨，操控负重达 260 吨，能够进行空间作业。且机械臂的两端都安装有执行器手爪机构，可附着于任意空构为故定点进行灵活机动作业。其所携带的机械臂如图 1-2 所示，具有 15 度，能够进行较为精密的操作作业。此为，，后期升空的可移动基座，配合前端安装的执行器手爪机构，任意一端都可故定于基座，基于故定于空间站构，基于桁架机构之间位置可调节移动，可更灵活、精准地完成空间大型抓捕任务。美国研制的空间机器人项目主要有 FTS（飞行服务机器人）以及 Orbital Exp轨道快车）[5]等。其中最早开展的飞行机器人空间抓捕任务，基于在空间站常空间抓捕、装配维修等任务的抓捕任务装置，由两个机械臂和一个定位装
【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】：V423

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 苗广威;冉红东;;新型交错桁架结构体系的反应谱分析[J];水利与建筑工程学报;2012年06期

2 王继翔;;对交错桁架结构体系应用浅析[J];建材与装饰(下旬刊);2008年02期

3 许红胜;周绪红;蒋建国;;交错桁架结构体系的若干构造设计问题[J];建筑结构;2006年08期

4 孙焕纯,王跃方;对桁架结构稳定分析经典理论的讨论[J];计算力学学报;2005年03期

5 安伟光,蔡荫林;冗余桁架结构的故障分析[J];哈尔滨船舶工程学院学报;1989年04期

6 王声尧;;某工程桁架结构拼装顺序研究[J];江苏建筑;2015年S1期

7 陈艳芬;;不同形式交错桁架结构性能的比选[J];四川建材;2013年06期

8 游昕颖;程国祥;;斜拉立体桁架结构竖向风及水平风作用下分析[J];科协论坛(下半月);2013年01期

9 雷庆关;邱维;;交错桁架结构的地震响应分析[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2013年01期

10 ;具有自调节防灾功能的桁架结构[J];技术与市场;2012年02期

相关会议论文 前10条

1 徐友良;;桁架结构大变形问题的位置解法[A];第18届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2009年

2 卢立飞;刘晓平;;高耸桁架结构动态特性研究[A];机械动力学理论及其应用[C];2011年

3 王跃方;孙焕纯;刘春良;;受稳定性约束的扁桁架结构优化设计[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

4 毛东建;;基于应变模态对桁架结构损伤识别的实验探讨[A];第十届全国建设工程无损检测技术学术会议论文集[C];2008年

5 周元;余继军;;桁架结构合理化设计探讨[A];第四届全国钢结构工程技术交流会论文集[C];2012年

6 宫彩凤;;关于建筑结构设计中拱桁架结构优化设计[A];2014年全国科技工作会议论文集[C];2014年

7 周绪红;;交错桁架结构体系的研究与展望——第十届全国结构工程学术会议特邀报告[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2001年

8 赵启林;李飞;徐康;;新型复合材料桁架结构静载实验研究[A];第七届全国建设工程FRP应用学术交流会论文集[C];2011年

9 梁宇;;多索预应力桁架结构优化设计[A];2014年全国科技工作会议论文集[C];2014年

10 张凤文;刘锡良;;双矩形钢管梁式弦桁架结构分析与试验研究[A];管结构技术交流会论文集[C];2001年

相关博士学位论文 前10条

1 欧笛声;含自重载荷桁架结构若干函数的特性及桁架结构优化算法研究[D];广西大学;2015年

2 安海;桁架结构系统可靠性分析方法的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

3 王有懿;航天器桁架结构中高频抖动动力学分析与主动控制研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

4 苗吉;改进型混合式交错桁架钢结构体系抗震性能及破坏机理研究[D];西安建筑科技大学;2013年

5 杨文伟;钢结构交错桁架体系的高等分析[D];兰州大学;2013年

6 冉红东;钢交错桁架结构体系在循环荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策[D];西安建筑科技大学;2008年

7 龙连春;智能桁架结构受力性态最优控制的建模与分析[D];北京工业大学;2003年

8 郭庆生;带填充墙钢交错桁架结构的抗震性能研究[D];北京交通大学;2013年

9 鞠苏;复合材料桁架弯曲特性与非线性约束优化设计[D];国防科学技术大学;2011年

10 杨多和;可靠性分析在压电主动杆元桁架结构系统的应用[D];哈尔滨工程大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 郑威;桁架式空间核动力飞行器动力学特性研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

2 香世贵;基于四面体桁架结构的空间抓捕机构设计与试验研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

3 吕正洋;变形翼桁架结构设计与变形特性分析[D];哈尔滨工业大学;2019年

4 蒋鑫;航天器平面铰接桁架结构非线性动力学特性分析[D];哈尔滨工业大学;2018年

5 赵廷廷;某钢桁架桥结构优化设计研究[D];河北工程大学;2019年

6 林猛峰;桁架结构在随机荷载下拓扑优化及减震设计[D];华南理工大学;2019年

7 白鲁帅;基于隔离损伤的桁架结构性态识别[D];大连理工大学;2018年

8 王加华;改进蚁群算法及其在桁架结构优化中的应用[D];河北工程大学;2018年

9 连思达;某钢管桁架栈桥工程结构优化研究[D];河北工程大学;2018年

10 李济坤;考虑不确定性的桁架结构拓扑优化设计[D];石家庄铁道大学;2018年

本文编号：2696716