索驱动机构在航天工程领域的应用综述

索驱动机构相比于刚性机构有着工作空间大、较高的载荷质量比、易于重新布置等诸多优势,近年来成为机器人学研究的一个热点,其在天文观测、物流搬运、康复医疗和航天工程等诸多领域得到了广泛的应用。该文将集中介绍索驱动机构在航天工程领域的各类应用,从针对航天器的应用和针对宇航员的应用两方面进行详细的介绍。最后,给出了索驱动机构未来在航天工程领域应用的展望。

“天问一号”探测器舱体抛离试验系统设计与验证

火星探测器防热大底和背罩的高速抛离是进入、下降、着陆过程中的关键环节之一,需在地面开展有效的试验验证。文章针对抛防热大底、抛背罩地面试验中高速度、高加速度跟随和空间力、力矩耦合施加问题,提出了采用电机驱动的主动式分离方案和空间力、力矩的耦合控制方法,设计了试验系统并建立了动力学模型,分别开展了仿真和试验验证。试验结果表明,大底和背罩分离过程中的受力状态得到准确施加,且与仿真结果基本吻合,验证了分离方案的可行性。该试验方法有效验证了火星探测器大底和背罩抛离过程的机械安全性,也为其他航天器的分离试验提供了有益参考。

航天降落伞撕裂带测试装置及其动态索力响应特性

该文提出一种航天降落伞撕裂带测试装置,用于测试撕裂带工作性能。基于测试装置,研究绳索在高速冲击载荷下的动态索力响应问题。将机械系统简化为弹簧阻尼系统,基于Lagrange第二类方程推导得到系统动力学方程,并通过Runge-Kutta方法求解模型,得到撕裂带测试过程中的绳索受力状态。研究在高速冲击载荷下,绳索阻尼的作用机理。进一步研究绳索弹性模量、阻尼以及绳索两端质量比对索力的影响规律,最后对比理论模型与验证实验的数据。结果表明:理论模型计算得到的绳索末端索力与实验结果趋势保持一致,验证了理论模型的正确性,对撕裂带测试装置的设计和控制具有指导意义。

面向航天器分离的高速索力传递特性

在航天器分离的地面模拟试验中,其受力状态的准确施加是试验的关键环节。该文基于航天器主动式分离试验方案,研究了航天器在高速分离过程中的绳索索力传递问题。首先通过Newton运动定律推导了绳索提升系统的动力学模型;然后引入测试函数,使用空间离散的方法对二阶偏微分方程求解,得到绳索在运动过程中的受力关系,并探索其对绳索索力的影响因素;最后通过数值仿真及实例进行验证。结果表明:该模型能够准确模拟绳索受力状态,对航天器主动式高速分离试验具有指导性意义。

基于索驱动的大型柔性结构振动抑制策略研究

柔性索并联机构具有工作空间大、能耗低和惯量小等优点,适用于长距离柔性桁架结构的振动主动抑制。首先提出一种四索驱动的柔性体抑振并联机构,根据闭环矢量原理和机构的几何特征,对四索并联机构进行运动学分析。接着建立四索并联机构的静力学模型,并将超长尺度柔性桁架机构的往复振动简化为梁的弯曲振动,利用振型叠加法求解外部激励作用下的强迫响应。最后针对超长尺度柔性桁架机构的振动抑制问题,提出一种基于模糊控制与PID控制相结合的控制策略,通过仿真验证所提控制策略的有效性。结果表明,所设计的柔索并联抑振系统具有明显的抑振效果,柔性桁架的振幅与振动衰减时间大幅降低,且系统的四索索力值能够在合适范围内变化。

索驱动并联机器人可控刚度特性

在机器人与人交互过程中,机器人可能因刚度过大而对人或产品产生安全威胁。该文提出索驱动并联机器人静态刚度分析及索力分配方法,研究其可控刚度特性问题。首先,通过建立运动学和静力学方程对机器人进行受力分析,并通过引入线矢量和微分变换的方式,推导出结构矩阵对位姿微分的三维Hessian矩阵,建立静态刚度模型,分析索力与机器人刚度间的关系;其次,给出索力多边形计算算法,并研究索力分配方法,完成机器人刚度的有效控制;最后,通过计算实例验证该方法正确性与有效性。结果表明：该方法可以有效控制机器人的系统刚度。

面向仓储物流的平面索并联机器人视觉自标定方法

针对用于物流仓储领域的平面四索并联机器人,提出一种基于视觉定位的自标定方法。通过相机和货架上的AprilTag获取末端动平台的位置,进行模型参数辨识和误差补偿,实现平面四索并联机器人的几何参数快速标定。首先,建立该四索并联机器人的运动学模型;然后,提出基于该机器人构型的运动学参数标定方法及位姿测量方法;最后,通过计算机仿真和实验验证该标定方法的有效性。实验结果表明,该标定方法能够快速实现末端动平台的运动学标定,达到小于1 mm的定位精度,满足仓储堆垛任务的定位误差要求。