空间大型机械臂关节用多级行星传动系统动力学基础理论及实验研究

The planetary gear transmission system posses numerous advantages including compactness of design, availability of multiple speed reduction ratios, and less demanding bearing requirements. The planetary gear sets are commonly used in large space manipulator joint, e.g. the Canadian robotic arm and the European robotic arm on the International Space Station. In order to get a larger transmission ratio, the multi-stage composite transmission style is adopted, and the complexity of the dynamic behavior is increasing. The joint is the core components of the space manipulator and its dynamic characteristics will seriously affect the motion characteristics of the whole manipulator system. In order to ensure the performance and control precision of the robotic arm, the dynamic characteristics of the joint must be taken into account. Concerning the engineering requirements of the space environment, construction materials, load and speed, the theoretical and experimental research on dynamic characteristics are made by modular modeling approach. Then the dynamic optimization design and optimized joint control parameters of the manipulator system are obtained.

行星齿轮传动系统具有体积小、重量轻、传动比大、承载能力高等优点，所以大型空间机械臂关节用减速装置大多采用行星齿轮传动，如国际空间站上的加拿大机械臂和欧洲机械臂等。为达到较大传动比，行星齿轮传动关节需采用多级复合传动，从而增加了系统动态行为的复杂性。行星齿轮传动关节作为空间机械臂的核心组成部件，其动力学特性不仅影响其自身的运行质量，更重要的是它会严重影响整个机械臂系统的运动特性。为保证机械臂的性能与控制精度，必须在设计时就保证关节的动力学特性。本课题以空间大型机械臂关节用多级行星齿轮传动系统为研究对象，紧密结合空间环境、结构材料、载荷和运行等工程要求，采用模块化动力学建模方法，考虑多种影响因素，对系统的动态特性进行深入的理论与实验研究，完成动态优化设计，为机械臂系统的控制提供优化的关节参数。

本课题针对空间大型机械臂关节用多级行星齿轮传动系统，包括行星传动的组合（多级2K-H行星传动）或多级复合行星传动（行星传动与定轴传动的混合），使用模块化方法精确、快速建立了传动系统模型，对其动态特性进行了深入及扩展研究，建立了系统动态仿真平台并进行了齿轮动态接触的实验验证。. 通过上述研究，深化了轮齿接触这一齿轮动力学的核心理论问题，完善了轮齿动态接触的理论体系。通过建立多级行星传动系统动态特性基础理论、动力学综合仿真和实验研究的动态优化设计平台，完成系统动力学设计，实现了研制阶段的设计指导，从而为整个机械臂系统的动态优化设计及精确控制提供更为准确的关节参数。. 通过本课题的研究，可以逐步掌握传动系统的动力学设计方法，使其不仅仅局限于航天领域，还可以扩展到航空、汽车和船舶等领域，从而提升相关领域装备制造业的水平。