连续型空间机械臂绳索联动机构高效动力学建模和仿真方法

【作者】 郑旭东； 王天舒； 梁斌； 王琪；

【机构】 清华大学深圳国际研究生院； 清华大学航天航空学院； 清华大学自动化系； 北京航空航天大学航空科学与工程学院；

【摘要】 近年来,以空间机械臂为手段的在轨服务技术对于空间飞行器的捕获、加注燃料、装配、维修等任务表现出广阔的应用前景。然而,由于其自由度和体积等因素的限制,传统离散型机械臂(如工业6自由度机械臂)无法在狭小受限空间使用,因而难以完成某些高价值航天器的维修工作。最近,研究者提出多种连续型空间机械臂方案,这类机械臂具有纤细超灵巧的本体、超冗余的自由度,可以在狭小非结构化环境使用,以完成某些复杂操作任务。作者团队提出了一款绳驱分段联动式空间机械臂(图1),其中,绳索联动机构是该机械臂的重要部件,可以保证机械臂有较大承载刚度的同时,使用较少数量的驱动电机,是连续型空间机械臂的新发展。但是,由于联动绳索较大的刚度系数,这类机械臂的动力学方程会呈现刚性问题,影响计算效率。本文针对这款连续型空间机械臂绳索联动机构,提出了一种高效动力学建模和仿真方法。利用四元数方法对刚性臂杆建模,既避免了奇异位置,又减少了三角函数的计算,便于程序高效求解;利用线性扭簧-阻尼模型对联动绳索作用进行建模;利用第一类拉格朗日方法推导系统的动力学方程;利用模型降噪方法改善系统的刚性问题;通过模型降噪,系统的动力学方法既可以用刚性积分器求解,也可以用非刚性积分器计算;最后,通过仿真算例验证了本文所提方法的正确性与高效性,本文所提方法可使计算速度提高两个数量级。更多还原