微重力模拟环境下空间机械臂多柔体动力学建模、分析与实验

Accurate dynamics modeling is an important basis on the prediction of dynamic characteristics of space manipulator. Research on the related methodolgies of accurate dynamics modeling is also a challenge and hot topic in the field of multi-body dynamics. Ground simulation experiment is considered as one of effective ways in both measuring dynamics model parameters and predicting working performance of the space manipulator. However, under the condition of microgravity simulation experiment on ground, it is currently hard to solve the coupling dynamics characteristics between the simulation equipment and the space manipulator, so it will also be difficult to obtain accurate on-orbit dynamics characteristics for the current simulated experimental system. In this project, we will be based on the theory of rigid-flexible coupling multi-body dynamics to study the dynamics modeling, coupling mechanism and dynamics experiment under the environment of microgravity simulation. With this research, we will propose related experimental methodology about space manipulator under the environment of microgravity simulation, reveal parameter mapping rules between microgravity dynamics experiment and effective modeling of space manipulator, build theory and experimental methodology for both ground microgravity experiment and dynamics simulation study. This project will provide important theoretical and technical supports for accurate dynamics modeling of space manipulator in space large structure in the future.

精确的动力学模型是预测空间机械臂动特性的基础，相关精确动力学建模方法研究也是多体动力学领域的研究难点和热点。地面微重力模拟实验是测量空间机械臂动力学模型参数和预测其在轨工作性能的有效途径。但目前地面微重力模拟实验中模拟装置动特性与机械臂动特性很难解耦，因而现有模拟实验系统不能获得机械臂精确的在轨动特性。本项目将基于刚柔耦合多体动力学理论，开展微重力模拟环境下空间机械臂的动力学建模与高效稳定求解、动力学耦合机理研究、微重力模拟动力学实验及基于实验的机械臂在轨动力学特性反演方法研究。通过本项目研究，提出空间机械臂微重力模拟动力学实验的相关方法，揭示地面微重力模拟动力学实验与空间机械臂精确建模的参数映射规律，建立一套微重力模拟实验与动力学计算相互印证的理论与实验方法体系。研究成果可为我国未来空间大型结构的机械臂精确动力学建模提供重要的理论支撑。

空间机械臂在轨任务要求呈现高精度和复杂化，基于地面微重力模拟下的空间机械臂实验反演其在轨精确的动力学参数是一个行之有效的方法。该方法在实现过程中存在微重力模拟装置与空间机械臂在实验状态下的动力学解耦、反演和求解等科学问题。本项目以刚柔耦合多体动力学为主要理论基础，开展了地面微重力模拟环境下空间柔性机械臂的动力学建模、计算、分析与实验的研究。主要研制并搭建了一种磁气悬吊微重力模拟装置，实现了空间机械臂的二维和三维运动的地面微重力模拟，利用低摩擦磁悬浮气足悬吊实现三维磁气悬吊微重力模拟装置与空间结构之间的弱耦合性；基于任意拉格朗日欧拉描述索和几何精确梁，建立了磁气悬吊微重力模拟环境下空间柔性机械臂的刚柔耦合精准高效保拓扑多体动力学模型；针对高维刚柔耦合系统动力学方程，利用高效稳定广义α和变阶变步长BDF的进行求解计算；开展了一系列微重力模拟装置下空间机械臂动力学实验和仿真计算，分析了磁气悬吊微重力模拟装置对空间机械臂卸载的动力学作用机理，结果表明三维磁气悬吊微重力模拟装置下的空间机械臂卸载力基本恒定；形成了一套基于最小二乘法的磁气悬吊微重力模拟实验与多体动力学模拟相互印证的参数辨识方法；基于精准高效的多体动力学模型，利用运动驱动与广义约束力的关系，在耦合系统动力学方程中剔除微重力模拟装置对机械臂的影响，获得在轨机械臂实现目标运动学特性的驱动力，反演了在遥空间机械臂的动力学特性，仿真与实验对比分析表明反演误差小于5%。本项目的实施不仅可以为空间机械臂自身的精确动力学特性获取提供新的理论与技术途径，还可以提出地面微重力模拟实验新技术，发明新型微重力模拟装置，发展新的实验方法，具有重要的科学价值和工程实际意义。