基于径向基函数神经网络的空间漂浮机械臂装配控制

针对空间漂浮机械臂在轨装配中动力学模型失准、待装配模块质量特性未知情况下的精确控制问题,本文提出了一种基于径向基函数神经网络补偿控制的装配方法。给出空间漂浮装配机械臂的构型设计及动力学模型描述,设计了一种基于径向基函数神经网络原理的补偿控制率,进行了稳定性与收敛性分析,推导出基于径向基函数神经网络神经网络的空间漂浮基座机械臂装配控制自适应律。不同工况下的在轨装配仿真案例表明:基于径向基函数神经网络原理补偿的控制方法能够控制机械臂末端执行器在未知特性大负载作用下快速准确地跟踪期望轨迹,而不进行补偿时控制器性能下降严重、甚至失效。所提出装配控制方法具有较强的工程实用价值,能为未来空间装配任务提供有效借鉴。

机器人变刚度柔性关节实验装置研制

针对本科生和研究生关于共融机器人的教学需求,采用基于阿基米德螺旋移位原理的支点调节机构具体化变刚度方案,研制了一套具有“模块化程度高、刚度调节范围宽、具有可拓展性”等优点的机器人变刚度柔性关节实验装置。该装置可用于关节刚度标定、关节刚度调节等实验教学,涵盖机械原理、机械设计、传感与测试技术、机电伺服系统设计等课程内容,有助于学生深入了解共融机器人特性,进一步提升学生的实践动手能力。

基于滑模控制的空间机器人软硬性抓取

采用滑模控制对空间机器人捕获漂浮目标的软硬性抓取进行研究。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。建立空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入末端装置抓取目标时的碰撞模型,并引入'动态抓取域'用于机械臂抓取目标时的控制,随后应用滑模控制及基体姿态控制,以减小抓取碰撞冲击对系统的冲击干扰。滑模面参数表征了机械臂保持及跟踪状态的抗冲击能力,可通过其灵活改变机械臂刚性以获取不同抓取性态,包括接触式硬抓取及碰撞式软抓取。仿真表明,空间机器人捕获漂浮目标过程中,硬抓取能保持机械臂刚性,且关节变化小,末端抓取为持续接触;而软抓取时,机械臂受冲击而随动耗能,关节变化大,但对目标位置及基体姿态的冲击小,均约为硬抓取的50%。抓取性态的研究对空间机器人的捕获操作有着重要的理论及工程价值。

卫星点波束可移动天线地面应用软件设计

卫星点波束可移动天线以其结构简单,高精度等优点得到广泛应用,天线地面应用软件便是对其进行可视化监控而设计的。软件采用以状态变量为中心的设计思想及模块化的设计方法,用VC和OpenGL作为设计平台实现了两种工作模式:在线模式下,通过解算遥测数据,可视化监视天线状态,还可通过设置指向目标位置,直接构造指令并发送;离线模式下,可对天线理想运动进行功能性的验证及仿真。软件经过在卫星测试阶段的使用,性能指标满足应用要求。

基于空间算子代数的空间多体系统动力学递推计算

应用空间算子代数方法对空间多体系统进行动力学建模、分析与仿真。空间算子代数作为基于李群及旋量方法的算子理论,采用估计理论中卡尔曼滤波及平滑方法,实现了具有明确物理含义的O(n)计算效率的动力学实时递推求解算法。首先使用空间算子代数理论对多体系统动力学进行递推形式的描述、建模及分析,并通过与估计理论对比提出了质量矩阵求逆的高效递推算法,而后基于面向对象技术编制了软件,并通过漂浮基双臂机器人典型算例的求解,与商业动力学软件Simpack进行对比,验证了软件及算法的正确。结果表明,空间算子代数方法概念清晰、推导方便,计算效率及精度能够满足工程需求,可用于空间多体系统动力学实时仿真及控制系统设计。

考虑多间隙耦合关系的齿轮系统非线性动力学分析

建立了一种新的考虑径向间隙与动态齿侧间隙耦合的齿轮转子系统动力学模型,分析了径向间隙与齿侧间隙的耦合关系及其对系统动力学特性的影响。在系统动力学模型中,建立了考虑径向间隙的接触碰撞模型;通过推导齿轮中心距与齿侧间隙之间的函数关系,建立了考虑动态齿侧间隙的齿轮扭转振动模型。进而利用该模型对多间隙齿轮系统的动力学特性进行分析。给出了一对直齿轮副的数值仿真结果,分别分析了径向间隙大小和齿侧间隙大小对齿轮系统动力学特性的影响规律,分析结果对含间隙齿轮转子系统的研究具有重要的理论与工程价值。

空间大型末端执行器绳索捕获动力学建模与仿真

对目标的成功抓捕,是未来完成空间站组装、卫星维修、燃料加注等在轨服务任务的关键,基于钢丝绳的末端执行器机构具有大容差、软捕获特性,对于捕获较大惯量和较大速度的航天器具有相当的优势。本文基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的接触碰撞模型,获得末端执行器捕获动力学模型。所建模型可充分考虑捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。

计及关节及杆柔性的空间机械臂抓取控制

针对考虑关节及杆柔性的空间机械臂动力学与抓取控制问题,以三连杆柔性机械臂为研究对象,考虑臂杆的横向弯曲变形、纵向拉伸变形及由于横向变形引起的轴向收缩的二阶耦合量等,并通过引用转子扭簧模型来考虑柔性关节的影响,应用Lagrange方程和假设模态法建立动力学模型。引入"动态抓取域"来描述机械臂的抓取过程,采用关节主动阻尼控制来抑制抓取过程中的碰撞激振力,分析了匀速抓取和加速抓取两种策略的机械臂柔性关节的变形特性。仿真结果表明:关节柔性减小了整体碰撞力,在碰撞过程中起到一定的缓冲作用;加速抓取控制下比匀速抓取控制下的关节变形小,前者整体优于后者。

基于空间算子代数的星载天线机构动力学计算

针对星载天线双轴定位机构的空间漂浮基无根树多体系统动力学实时仿真及控制系统设计的需要,应用空间算子代数(SOA)理论进行多体系统动力学建模和仿真;提出了SOA描述的动力学递推及求解算法,并面向对象思想定义多体系统数据结构,进行了动力学计算流程设计。所提方法形式直观、便于推导、物理意义明确及达到了O(n)计算效率。通过与Simpack仿真结果进行比较,结果表明SOA的多体系统动力学算法求解速度更快、仿真结果精度更高。

考虑多间隙的航天机构传动关节振动特性分析

为了分析含间隙航天机构传动关节的振动特性,以行星齿轮传动系统为研究对象,提出考虑多间隙耦合的行星齿轮传动关节动力学建模方法。模型中考虑了轴承径向间隙、齿侧间隙以及时变啮合刚度等非线性因素。并通过数值仿真,研究转速、间隙大小以及负载对系统振动特性的影响规律。分析结果表明:由于多间隙的影响,导致系统间各部件的振动存在耦合关系。同时,转速和间隙大小的变化,都有可能引发谐振现象。惯性负载较大时,关节的回转精度和稳定性较好,但处于空载或轻载状态时,系统内部振动幅值增大。

大颗粒岩块对月壤钻取过程的影响分析

针对月壤钻取采样过程中存在大颗粒岩块情况进行三维离散元动态仿真分析。建立考虑扭转、弯曲力矩及等效引力作用的新型三维离散元月壤模型,通过三轴仿真试验进行细观参数标定,得到黏聚力为0.90 k Pa,内摩擦角为42.25°的满足真实月壤宏观力学指标的仿真模型。针对月壤内层存在大颗粒情况设计4种采样工况分别进行仿真分析,监测大颗粒运动轨迹与采样效率,发现了"旋入效应"、"纵向运移效应"与"阻塞效应",仿真结果表明岩块粒径大小直接影响采样结果:当岩块粒径小于钻头"虚拟切削圆"时,其无论存在于任何位置对采样效率与后续样品缠绕收集均无明显影响;当岩块粒径大于"虚拟切削圆"时,阻塞现象严重,样品收集困难,极易导致采样失败。研究结论对月壤钻取采样控制设计与钻具结构设计具有重要的工程参考价值。

双轴定位点波束天线波束指向计算

可移点波束天线是卫星系统对目标定位和跟踪的重要组成部件,该天线依靠双轴定位机构来实现在俯仰和方位两个方向上精确运动和定位。由于天线波束反射中心与定位机构转动中心不重合,双轴定位机构偏转角与波束中心指向角间存在复杂的数学关系。针对点波束天线指向计算问题进行了详细的分析,获得了一种基于单变量非线性方程求根的迭代计算方法,并对算法的正确性进行了仿真计算验证。

空间大型末端执行器捕获动力学与实验研究

以绳索式末端执行器为研究对象,基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型,获得末端执行器捕获动力学模型,并设计了末端捕获冲击实验,验证了模型的正确性。所建模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。

月壤钻采取样方式对样品层理的影响

针对月壤钻采任务,基于离散元月壤模型,分析了硬质管取芯与软袋取芯2种取样方式的层理保持特性,提出了曲面斜率法描述月壤样品的层理信息。该方法能够通过拟合曲面直观反映随钻深分布的各层月壤样品变形情况,并能够定量描述各层样品轻微扰动部分与层理破坏部分的分界范围,以及层理破坏趋势与程度。分析结果表明:取样袋能显著保护样品的层理信息,而硬质管取芯对外侧月壤样品层理破坏严重,且破坏层数较多,但层理破坏较轻微的样品直径范围与有取样袋工况差别不大。此外,2种工况下,表层月壤样品层理信息均破坏严重,说明了表层月壤具有较强的随动性。

基于SPH方法的球形贮箱液体晃动动力学分析

针对发生液体破碎现象的航天器球形贮箱液体晃动问题,基于光滑粒子流体动力学方法(SPH方法)对N-S方程进行离散近似,分别对核函数、应力张量、边界问题、邻域粒子搜索等方面进行选择确定或计算处理,最终得到基于SPH方法的流体动力学模型。通过建立包括不同燃料液体体积及不同挡板安装位置的仿真模型,分析了航天器球形贮箱的受力及局部压强。通过分析贮箱受力情况及设置测量点压强情况,得到运动参数对晃动的影响规律,为航天器球形贮箱的设计提供了理论依据。

含隔板球形贮箱液体晃动激励频率影响分析

针对航天器球形贮箱液体大幅晃动问题,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对液体进行建模:基于SPH方法基本方程推导出N-S方程的数值解,并给出人工黏度项、压力项表达式,选择动态边界法处理边界计算问题。建立光滑内壁球形贮箱及带防晃隔板球形贮箱两种模型,设计力模式、运动模式两种激励形式并选择三种激励频率进行仿真分析,分别记录舱壁受力及测点压强。仿真结果表明:激励频率取为1.5 Hz时,舱壁受力最大;隔板能够减弱液体晃动对舱壁产生的作用;液体晃动现象的产生使得舱壁在y,z两方向的受力均增大;位于液面以下的舱壁所受压力具有“双波峰”特性,而隔板的存在对压力峰值具有“平均化”效果,避免局部压力过大;位于液面以上的舱壁所受压力表现为“脉冲波”形式,随激励频率的增加隔板对舱壁压力的削弱效果越明显。

柔性天线面对星载天线的扰动研究

针对柔性天线面对星载天线的扰动问题,应用固定界面模态综合法和Lagrange方程,截取柔性天线面低阶模态,缩减星载天线系统的自由度,并通过轴末端与天线面交界面的协调关系,推导了大范围运动的星载天线刚柔耦合动力学模型,克服了忽略天线面弹性变形对刚体大范围运动的影响,所建立的耦合动力学模型计算效率高并具有足够的精度。考虑天线面为刚体和柔体情况,分别对星载天线系统进行仿真并进行对比分析,结果表明,初始时刻柔性天线面对卫星本体姿态和天线指向影响很小,随着关节力矩持续作用,激起柔性天线面震荡,加剧自身的弹性振动,进而引起星载天线的抖动,造成卫星位姿和天线指向偏差变大,严重影响了星载天线的指向精度。结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。

浅表层月壤铲挖采样的振动减阻技术仿真研究

文章对振动铲挖技术在浅表层月壤采样过程中的适用性进行了研究。根据月壤宏观、细观参数,采用离散元法建立了月壤模型,对月球表面低重力低气压环境下的月壤应力-应变特性进行仿真,并结合采用Balovnev机-土交互模型描述的月壤铲挖阻力公式,对月壤的振动减阻机理进行了分析。在此基础上,通过向采样器施加不同振幅和频率的振动,开展了浅表层月壤铲挖仿真,给出了铲挖过程中不同振动参数与月壤采样阻力的关系。同时,通过对比不同工况下的月壤孔隙率,验证了月壤的振动铲挖减阻机理及适用性。

航天员失重环境下运动策略与效能分析

航天员在空间执行任务过程中由于受到空间微重力环境的影响,其运动的协调性以及平衡性均会与地面环境下的表现有所差异。以研究失重环境下航天员运动特点为目标,对航天员姿态调整策略进行动力学分析,并对运动过程人体效能进行评价。具体而言,在无外力/力矩驱动下,人体必须依靠四肢按一定的协调运动策略才能实现对躯干姿态的主动控制。而运动策略的分析则需要对人体全身运动过程的动力学原理进行研究。首先基于Newton-Euler法建立人体多刚体系统动力学模型,其次基于MBDyn软件以及计算力矩方法建立可对人体复杂运动过程进行仿真计算的闭环控制系统。最终,利用以上理论及系统,验证了人体依靠四肢按一定的运动策略进行姿态主动调节的可行性,所得各关节的动力学特性,为今后航天员执行任务过程动作设计提供了一定的理论支持。

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距.为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗.基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型.为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度.进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异.最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化.拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.