考虑间隙和摩擦影响的空间机械臂动力学研究

The requirement for accuracy of the position and orientation of space manipulator becomes much higher with further development of the manned space flight and deep space exploration program. However, current dynamics theory of the space manipulator has not been perfect. Moreover, the incompleteness of the dynamic modeling, the insufficiency of the nonlinear disturbance modeling and the distortion of the performance prediction induced by the imperfect dynamics theory, make the position and orientation accuracy of the space manipulator difficult to control, which severely restricts the development of the space manipulator. In order to meet the higher performance demand of the space manipulator used for the manned spacecraft, the project is to study friction behavior of the joint in the space manipulator during the evolution process and characteristics of the transmission devices, as well as coupling dynamic behavior of the space manipulator with a free-floating base. Furthermore, effects of friction and clearances on dynamic behavior of the space manipulator under the ultra low-speed motion will be revealed..This study will enrich and advance the theory of dynamics of space manipulator, which provides theoretical support for solving the key technical problems in development and application of space manipulator. The project has an important theoretical and practical value for improving the level of dynamics analysis, design of the joint transmission device and operation reliability of space manipulator.

随着载人航天和深空探测计划的进一步实施，国内外对空间机械臂位姿精度提出了更高的要求。然而，目前空间机械臂动力学理论还不是很完善，由动力学分析理论不完备造成的空间机械臂建模的不完整性、非线性因素建模的不充分性，以及性能预测的不真实性，造成航天工程实践中空间机械臂位姿难以精确控制，这严重制约着空间机械臂的发展。本项目以载人航天器对空间机械臂高性能需求为背景，研究空间机械臂关节摩擦行为的演变过程、大减速比传动装置的非线性力学行为预示与能量输运机制，以及在轨运行时空间机械臂与浮动基的耦合动力学行为，揭示间隙和摩擦对空间机械臂超低速运行时动力学特性的影响。这项研究将丰富和完善空间机械臂动力学理论，为解决空间机械臂研制与应用中的关键技术问题提供技术支撑，推动我国空间机械臂动力学分析技术的实用化进程，对提高空间机械臂动力学分析水平、关节传动装置的设计水平和空间机械臂运行可靠性具有重要意义。

本项目以载人航天器对空间机械臂的高性能需求为背景，研究考虑关节间隙和摩擦影响的空间机械臂动力学建模与性能预示方法，为解决空间机械臂研制和应用中的关键技术问题提供技术支撑。针对空间机械臂动力学研究中由谐波关节、间隙和摩擦等带来的难点问题，提出了接触界面的真实接触面积测量方法、考虑磨损的间隙副分析方法、间隙关节三维接触建模方法、含间隙机构的运动复杂度定量分析方法，以及考虑粘滞-滑动的含间隙空间机械臂动力学分析方法。.从谐波关节工作原理出发，分析了柔轮与波发生器、柔轮与刚轮在轮齿啮入、完全啮合、啮出和完全脱开时的接触变形和摩擦粘滞特征。依据摩擦学原理，构建了齿面之间滑动摩擦和滚动摩擦的物理模型，建立了考虑摩擦与齿侧间隙的电机-波发生器-柔轮-刚轮的系统动力学模型，分析了齿侧间隙和摩擦等非线性因素对减速器输出轴运动精度的影响。考虑谐波关节的负载扭矩、转动速度以及接触表面状态等影响因素，分析了齿轮副啮合过程中的能量输运与耗散机制，以及间隙和摩擦对输入轴与输出轴力矩传递特性的影响。研制了谐波齿轮传动啮合及柔轮变形测试系统和低速及超低速工况下谐波传动实验台，理论分析和实验结果揭示了谐波关节的低速爬行机理。.提出了浮动基-关节-臂杆的系统耦合动力学建模方法，分析了间隙和摩擦等因素对空间机械臂位姿精度的影响，以及谐波关节摩擦与臂杆柔性之间的耦合效应。为了有效评估机械臂动力学特性，提出了综合考虑臂杆柔性和谐波传动对输出精度影响的评价指标，分析了精度指标随滞后相位角及弹性模量的变化规律。研制了一种可调节臂杆刚度的机械臂实验台，通过实验揭示了臂杆柔性与机械臂关节的耦合动力学行为。.已按期完成了项目规定的全部研究内容，实现了该项目的研究目标，发表科研论文27篇，其中SCI收录12篇，EI收录18篇；授权发明专利2项，申请发明专利5项；毕业博士生3名，在学博士生4名；毕业硕士生4名，在学硕士生1名。