基于虚拟样机技术的空间机械臂关节动力学研究

【摘要】空间机械臂是应用于航天器上的重要工具，其主要任务是释放、回收卫星以及完成在轨建设、维修作业等。然而，目前空间机械臂的动力学理论还不够完善，设计过程中空间机械臂位姿难以准确预判，严重制约了空间机械臂的发展。因此，从传动装置出发，建立准确的空间机械臂关节动力学模型，研究空间机械臂关节的动力学特性具有重要意义。为了研究空间机械臂的关节动力学特性，本文主要进行了以下三方面工作：1）在ADAMS中建立了考虑时变啮合刚度、时变啮合阻尼、齿侧间隙等非线性因素在内的行星齿轮动力学模型。在文献调研的过程中发现，相关文献在ADAMS中建立行星齿轮动力学模型时，缺少对时变啮合刚度、时变啮合阻尼及齿侧间隙这些非线性因素的考虑，因而建立的模型不够完善。ADAMS/Machinery模块使用户在行星齿轮建模方面摆脱了对第三方建模软件的依赖，但仍存在一定的不足。因此，对ADAMS/Machinery提出了改进，利用ADAMS/View运行函数表达式来表达行星齿轮模型中各构件之间的作用力矩。仿真结果表明，对ADAMS/Machinery进行改进后建立的行星齿轮动力学模型可以体现出时变啮合刚度、时变啮合阻尼以及齿侧间隙这些非线性因素对行星齿轮动力学特性的影响。2）研究了包括啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙等因素在内关节传动参数变化对空间机械臂动力学特性的影响。在刚性臂杆-理想铰链关节模型的基础上，对行星齿轮减速器进行细化，建立了考虑刚度、阻尼、齿侧间隙等因素在内刚性臂杆-细化关节动力学模型。并针对不同刚度、阻尼、齿侧间隙的模型进行了动力学仿真。仿真结果表明时变啮合刚度、阻尼对臂杆末端的运动精度影响不大，但引入了一定的振动噪声。齿侧间隙的大小对臂杆末端的运动精度影响显著。3）设计开发了空间机械臂关节动力学建模软件。针对空间机械臂关节动力学模型建模过程中操作的繁琐性与重复性，利用ADAMS的二次开发功能对相应的建模操作进行了集成。将软件应用于实际的建模工作，大大提高了建模的效率与准确性。
【作者】洪俊展；
【导师】杨运强；
【作者基本信息】中国地质大学（北京），机械工程，2014，硕士
【关键词】空间机械臂；关节；行星齿轮；动力学；

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