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线缆强力非线性干扰下的太空机器人关节稳定性研究

线缆强力非线性干扰下的太空机器人关节稳定性研究

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作者：陈吉彪东北大学

学位级别：硕士

太空机器人线缆负责机器人末端载荷数据和电力的传输,它们搭载于太空机器人本体上,并且会随着机器人本体一起运动。在太空高低温、辐射和微重力等多物理场耦合的极端环境下,受屏蔽层包覆的搭载线缆会变得异常粗重和坚硬,而严格资源约束... 详细信息

太空机器人线缆负责机器人末端载荷数据和电力的传输,它们搭载于太空机器人本体上,并且会随着机器人本体一起运动。在太空高低温、辐射和微重力等多物理场耦合的极端环境下,受屏蔽层包覆的搭载线缆会变得异常粗重和坚硬,而严格资源约束下的太空机器人关节却相对十分弱小。运动过程中,粗重的搭载线缆会对弱小的太空机器人关节造成强力非线性干扰,导致关节在特定位置处缓慢转动或振荡。研究太空线缆物理特性、太空机器人关节力学特性及其相互耦合关系,对提升太空机器人末端操作精确性和稳定性具有重要意义。本文建立了太空线缆力学模型,提出了一种基于障碍物(曲面)约束的太空机器人线缆建模方法和一种基于信赖策略改进的Levenberg-Marquardt算法,并且修正了线缆模型,研究了太空机器人关节的稳定性,得到了太空机器人线缆的物理特性以及其对太空机器人关节的干扰力矩,为探月工程机器人产品的研制提供了有力保障。主要内容如下:(1)线缆力学模型建立及求解方法研究。从曲率、挠率和扭转角的角度描述了线缆的几何特性,建立了太空机器人线缆力学模型,并采用有限差分法进行了离散化处理,提出了一种基于信赖域策略改进的求解算法,从给出超长线缆、在线缆中间添加局部分布力以及不同等分节点数量的角度,验证了线缆模型的合理性和收敛性。(2)线缆物理特性研究。建立了动卡箍和静卡箍约束下的线缆力学模型,考虑到复杂空间的障碍物(曲面)约束、微重力分布力和摩擦分布力,提出了一种障碍物(曲面)约束下的太空机器人线缆建模方法,分析了不同参数变化对障碍物(曲面)约束下线缆模型求解结果的影响。(3)机器人关节稳定性研究。建立了太空机器人关节力学模型,探究了在特定位姿处太空机器人关节出现缓慢转动或振荡的原因,分析了太空机器人末端的位姿变化规律,得到了太空强力线缆对方位关节的理论干扰力矩计算模型。(4)实验研究。搭建了太空机器人方位关节干扰力矩测量平台,比较了两端约束下方位关节的理论和实测干扰力矩,比较了两端和障碍物(曲面)约束下的方位关节理论干扰力矩,提出了一种分水岭算法用于线缆实际形态中心线的提取,比较了太空机器人线缆的理论和实际形态误差。证明了所提出理论模型的正确性。

关键词： Kirchhoff力学模型线缆强力非线性干扰缓慢转动或振荡关节稳定性

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