考虑谐波传动滞后的柔性空间机械臂运动精度

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第49卷第23期

2013年12月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.49 No.23 Dec. 2013

DOI：10.3901/JME.2013.23.074

考虑谐波传动滞后的柔性空间机械臂运动精度

谷勇霞1 赵杰亮2 阎绍泽2 吴嘉宁2

(1. 北京工商大学材料与机械工程学院 北京 100048；

2. 清华大学机械工程系 北京 100084)

*

摘要：空间机械臂是完成释放、回收卫星以及空间站在轨装配、维修等多种任务的航天器重要维护工具，，其末端执行器运动轨迹的精度优劣直接关系到航天工作任务的成败。现有空间机械臂多采用谐波传动作为减速机构，该减速机构会产生运动滞后效应。结合谐波减速器传动滞后模型，基于Rayleigh-Ritz 法给出考虑臂杆柔性与谐波传动运动滞后的动力学方程。提出描述输出误差的精度指标，研究臂杆刚度与滞后相位角对输出精度特性的影响，得到了对空间机械臂工程设计有一定参考意义的结果。

关键词：柔性空间机械臂 谐波传动 运动滞后 输出精度

中图分类号：TH113

Kinematic Accuracy of the Flexible Space Manipulator with

Harmonic Drive

GU Yongxia1 ZHAO Jieliang2 YAN Shaoze2 WU Jianing2

(1. School of Material and Mechanical Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048;

2. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084)

Abstract：Space manipulator is an important tool of spacecraft to complete a variety of tasks, such as release and retracting of satellite, assembly and maintenance of space station in orbit. The trajectory precision of the end effector determines whether the mechanism performs normally or not. Nowadays the harmonic drive is widely used as the reducer in the space manipulator, which may lead to the kinematic hysteresis for application. The hysteresis of harmonic reducer is analyzed, and the dynamics equations with hysteretic characteristic for flexible space manipulator is shown based on Rayleigh-Ritz method. In order to describe the output error, the precision indices are proposed. The relation among the hysteresis angle, rigidity and the output accuracy is revealed. The results can be used in designing and optimizing the key dynamic parameters future space manipulators.

Key words：Flexible space manipulator Harmonic drive Motion hysteresis Output accuracy

0 前言

随着航天技术的发展，加拿大、俄罗斯、德国、

日本等国都相继掌握了空间机械臂技术，并已经应

用于卫星、航天飞机以及国际空间站等诸多航天

[1-6]器。最具代表性的空间机械臂为加拿大和NASA

联合研制的国际空间站美国舱段(图1)上的机械臂

Canadarm 2。该机械臂的专用灵巧操作臂由两个柔

性臂和一个基座组成，臂杆总长为17.6 m。机械臂

[7]质量约1 800 kg，负载能力可达116 000 kg。图1

* 国家自然科学基金(11272171)和高等学校博士学科点专项科研基金

(20120002110070)资助项目。20130312收到初稿，20130924收到修改稿 为Canadarm 2辅助航天员进行舱外活动的照片。 图1 国际空间站美国舱段上的机械臂Canadarm 2 现有空间机械臂铰关节一般采用谐波传动作

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