末端执行器抓取动力学及其半物理仿真研究

作     者：曾德胜 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丛大成

授予年度：2015年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：末端执行器 抓取动力学 半物理仿真 虚拟样机 稳定性 精度 

摘      要：随着我国空间站的建设,急需一套机械臂来完成在轨组装、在轨维护、在轨搬运等在轨服务任务。在轨抓取是在轨服务技术的基础,机械臂对目标物的抓取是通过末端执行器与目标适配器的连接来实现的。在轨抓取的成功依赖于末端执行器可靠的工作。由于航天事业投入大、风险高,末端执行器在正式投入使用前,需在地面上对末端执行器进行综合性能测试及考查成功抓取的边界条件。所以在地面上末端执行器抓取过程是很有必要的。为实现地面上模拟末端执行器抓取动力学过程,本文建立了末端执行器抓取动力学模型,在此基础上提出了末端执行器抓取动力学半物理仿真系统。其工作原理是将六维力传感器测得的接触碰撞力输入到抓取动力学模型中,解算出末端执行器与目标适配器的相对运动,Stewart平台带着固定在平台上的目标适配器复现这种相对运动。围绕末端执行器抓取动力学及其半物理仿真的问题,本文具体研究内容有以下几方面:为分析抓取过程中末端执行器与目标适配器的相对运动,分别建立了基于刚性机械臂和基于柔性机械臂的末端执行器抓取动力学模型。经仿真对比验证,基于柔性机械臂的末端执行器抓取动力学模型能更加精确地描述相对运动。经分析接触碰撞力、机械臂的刚度与阻尼、航天器的质量和位置矢量等因素对抓取过程中相对运动的影响,并结合机械臂的结构特点,得到减小相对运动的有效措施是减小接触碰撞力,这对提高抓取的成功概率具有指导意义。稳定性是末端执行器抓取动力学半物理仿真系统的首要条件。为研究系统的稳定性,建立了单自由度半物理仿真系统模型。通过分析钢丝绳的刚度与阻尼、Stewart平台的速度增益、机械的刚度与阻尼、航天器的质量等因素对系统稳定性的影响,将影响较小的机械臂的阻尼忽略,简化了半物理仿真系统的模型。进而利用劳斯判据求得系统的稳定条件。将钢丝绳等效于弹簧-阻尼器,构建单自由度半物理仿真系统,用于验证系统的稳定条件。经仿真验证,系统的稳定条件是正确的。为顺利搭建末端执行器抓取动力学半物理仿真系统,详细设计了抓取动力学解算单元、伺服控制单元、运动模拟器三大部分,并对半物理仿真系统的工作过程进行研究。经虚拟样机上的初步仿真,半物理仿真系统能模拟末端执行器抓取动力学过程,但是精度较差。经分析,半物理仿真系统的误差是由于接口(末端执行器实物模型与抓取动力学解算单元的交互媒介)的滞后特性造成的。通过对接口的传递函数分析,当半物理仿真系统工作在半物理仿真频带上时,接口传递函数为单位阵,半物理仿真系统的误差为零。针对接口特性引起的滞后,提出采用滞后补偿的方法消除接口滞后的影响,同时给出了滞后补偿的适用条件。单自由度半物理仿真系统的仿真表明,滞后补偿能大大提高半物理仿真的精度。为验证末端执行器抓取动力学半物理仿真系统的可行性和相关结论,采用ADAMS与Simulink联合仿真的方式建立了半物理仿真系统的虚拟样机。虚拟样机上的仿真结果与ADAMS中抓取模型的仿真结果对比,验证了末端执行器抓取动力学解算单元的正确性,虚拟样机能完全复现末端执行器抓取动力学过程。针对不同的抓取初始条件、目标航天器质量与机械臂刚度,在虚拟样机上进行仿真。仿真结果验证空间抓取动力学半物理仿真系统的可行性,为实际搭建空间抓取半物理仿真试验台和展开试验研究奠定了坚实的基础。