面向未知环境的空间机械臂自适应阻抗控制研究

针对空间机械臂与环境接触时环境刚度和阻尼会发生突变或渐变情况下的柔顺控制问题,提出了一种阻抗参数可根据环境自适应改变的控制方法.利用最小二乘法,对空间机械臂接触的环境阻尼与刚度进行在线估计.通过分析空间机械臂与环境接触时的系统特性,推导了环境与机械臂看作一体的二阶系统,并由二阶系统的响应特性提出了阻抗参数随环境自调整的自适应方案.最后以平面2自由度机械臂为对象进行了数值仿真,相较于传统阻抗控制方法,所提出的自适应阻抗控制在力控制精确性、减小最大接触力和适应不同接触环境上有一定的优势.

用于微重力试验的气磁混合悬吊单元研制

传统被动式跟随悬吊法应用中摩擦干扰力大的问题影响了微低重力试验的精度,本文中结合悬吊法和气浮法的优点,利用气体轴承极低摩擦力的特点,设计了一款气磁混合悬吊单元原理样机,以提高被动式跟随悬吊法微低重力试验的精度.首先介绍了气磁混合悬吊单元的工作原理,对气磁模块的布局方案进行了初选,选择了环形气体止推轴承与中央磁吸力单元组合的结构形式.设计了独特的永磁-电磁模块,并对其电磁吸力特性进行了分析,分析结果显示在气隙厚度为0.65 mm左右时,磁力能够保持在2 kN左右,得到了0.3~1.0 mm气隙长度下混合磁单元的磁力及刚度变化曲线.气体止推轴承采用大块多孔石墨作为节流器,能够在较小的空间尺寸中实现最大的承载能力,应用有限元方法对多孔质气体轴承的承载能力进行了分析,并进行了网格无关性分析,确定了计算模型的规模.对供气压力和渗透率等主要参数的影响规律进行了分析,分析结果显示选定的工作参数可在20μm气膜厚度下实现2 kN的承载.完成了气磁混合悬吊单元的结构设计,并试制了3台样机.针对气浮轴承进行了多孔材料渗透率测试.针对气磁混合悬吊单元,考虑到测试的安全性,设计了倒扣拉力法试验装置进行了气磁混合悬吊单元承载能力测试.针对气磁混合单元的极限承载能力和承载-位移特性进行了测试.基于恒定磁吸力及非线性磁吸力假设,将气磁混合单元的承载-位移特性转化为气体轴承的承载-位移特性,并与气体轴承承载能力的理论分析结果进行了比较.试验结果显示:试制的3台样机其最大极限承载能力均在2.4 kN以上,在安全系数3的条件下,可以承载80 kg的重物悬挂;磁吸力设计过程中应当使用非线性假设进行计算校核,得出的气膜承载能力与理论分析能够较好地吻合.

基于主动阻尼的屈曲梁准零刚度隔振技术研究

准零刚度(QZS)隔振系统具有高静刚度-低动刚度的特性,能够对低频振动进行有效抑制,而主动阻尼能够显著降低系统的共振峰值同时保持系统高频传递特性不变。因此,将准零刚度隔振系统与主动阻尼相结合,可以有效提升系统的超低频隔振性能。以屈曲梁准零刚度隔振器为研究对象,基于系统动力学模型,引入主动阻尼控制策略,通过理论分析研究了主动阻尼对屈曲梁准零刚度隔振系统传递率的影响,并利用SIMULINK工具开展扫频、正弦和随机扰动条件下的屈曲梁准零刚度-主动阻尼隔振系统仿真研究。仿真结果表明:在超低频段(≤0.1 Hz)该系统能够产生8~32 dB的隔振效果;在高频段(≥10 Hz)隔振效率不低于36 dB,且对随机扰动响应的隔振效率为36 dB。

考虑区间叠加不确定间隙的空间可展机构动力学研究

本文建立了考虑不确定间隙空间可展机构动力学模型,通过对不确定间隙进行描述,结合传统接触模型提出含不确定区间间隙的接触力模型,并将其嵌入展开单元动力学模型,通过切比雪夫区间求解对含区间系统动力学模型进行求解,针对区间求解中启动阶段估计不准、区间叠加误差过大、区间整合的问题与展开单元叠加问题,提出了相适应的区间扩张、局部均值分解与瞬时叠加方法降低区间求解误差,并给出区间间隙累加下动力学响应边界。结果表明:区间间隙大小主要对系统运动精度产生较大影响,而区间间隙数量对系统运动稳定度影响较为严重。区间叠加方法相比于传统拟合方法可进一步提高空间可展机构预示精度,相较于传统拟合结果可提高7.74%。

轨道动力学方法用于太阳位置精确解算的比较研究

从轨道动力学理论与工程实际相结合的角度出发,提出2种不同算法并作仿真对比分析。第1种是基于JPL行星星历的精密天文算法,理论上计算精度与天文年历相当;第2种是基于轨道平根数理论的解析公式算法,理论上计算精度不超过±0.01°。2种算法的解算结果相互校核,验证了其正确性和有效性。

两端固支屈曲梁准零刚度隔振器的微振动隔振性能分析

航天器微振动具有幅值低、频带宽的特点,传统的被动隔振器难以对其有效隔离,两端固支屈曲梁准零刚度隔振器具有高静刚度低动刚度特性,且避免了铰接引入的间隙和摩擦,可适用于微振动隔振;对该隔振系统的动力学特性和隔振特性进行了分析;推导了屈曲梁正负刚度并联系统的零刚度条件,利用谐波平衡法得到系统阻尼、扰动幅值对系统隔振性能的影响;通过SIMULINK仿真对隔振系统的性能进行了验证。结果表明,该隔振系统低频隔振性能优于线性系统,可有效隔离微振动。

基于改进神经网络的空间机械臂阻抗控制方法

针对环境信息不确定和碰撞模型未知情况下的空间机械臂柔顺控制问题,提出了一种基于改进型神经网络的阻抗控制方法。以空间机械臂阻抗控制系统闭环方程为基础,分析了环境信息不确定和碰撞模型未知情况下不能实现精准力控制的原因。利用粒子群优化算法调整神经网络中的权值矩阵,以提高神经网络的收敛速度和寻优性能。基于改进后的神经网络设计阻抗控制器,使改进后的神经网络能实时调整阻抗参数以达到更好的柔顺控制效果。数值结果表明,相比传统阻抗控制,该控制器能够有效减小力控制误差和位置控制误差,且对于力反馈干扰信号具有更强的抗干扰能力。