大型柔性空间机械臂的地面主动重力补偿研究

Large-scale space arm are noticeably flexible. While traditional research on active gravity compensation are established upon the assumption that objects are 'rigid' and 'static', which isn't applicable for flexible objects, active gravity compensation for flexible space arm certainly reveals new scientific problems. By researching the dynamic model of flexible multiple-degree-of-freedom (MDOF) mechanism under active gravity compensation, these problems shall be resolved. By researching the dynamic model of flexible MDOF mechanism under active gravity compensation, the coupling effect between flexible mechanism and active gravity compensation system can be revealed, and therefore a properly simplified and decoupled model can be established. By researching the analytical closed-form model of compensation forces for flexible MDOF system, the design method of compensation forces on flexible mechanism will be established. By researching on the influences imposed by active compensation forces on flexible mechanism, the control method of active gravity compensation for flexible mechanism will be established. The research will therefore serves as a basis of research on active gravity compensation for large-scale flexible space arm , and eliminate the bottleneck of the ground tests for large-scale space arms.

大型空间机械臂具有明显的柔性特征。机械臂的柔性特征破坏了传统地面主动重力补偿研究中的“刚体假设”和“准静态假设”，因而提出诸多新的科学问题。对空间多自由度柔性机构的主动重力补偿理论研究是解决这些新问题的根本。本课题拟针对主动重力补偿条件下多自由柔性机构的动力学模型进行研究，揭示柔性机构和主动重力补偿系统的运动耦合机理，进而建立合理解耦的简化模型，奠定理论分析基础。通过建立多自由度柔性机构补偿力系的封闭解析模型，提出针对柔性机构的补偿力系设计方法。通过研究主动补偿力对柔性机构振动特征的影响，提出针对柔性机构的主动重力补偿控制策略。通过以上研究，建立大型柔性空间机械臂地面主动重力补偿的研究基础，推动其地面测试技术的进步。

我国大型空间机械臂必然获得长足发展，与其配套的地面测试技术应当先行开展研究。零重力模拟是空间臂地面测试的关键技术。由于大型空间机械臂具有很明显的柔性，其主动重力补偿一直没有实现。.本项目拟针对当前研究中存在的问题，进行主动重力补偿条件下多自由度柔性机构的动力学模型研究，揭示柔性机构重力补偿中的多种耦合现象，建立适当解耦的简化模型，为理论分析建立基础。建立柔性机构补偿力系的封闭解析模型，提出空间柔性机构补偿力系的求解方法。通过研究主动补偿对柔性对象振动特性的影响，揭示补偿系统与补偿对象间的能量交换机理，提出面向柔性机构振动模拟的补偿系统控制方法。.根据本项目的研究结果，有针对性的突破了高速恒拉力系统、高速吊索倾角采集系统等关键技术，研制了中国空间站大型机械臂多吊索重力补偿系统，在国际上首次实现了空间机械臂的三维微低重力模拟测试。实验结果显示，系统的重力卸载率达到了99.6%。研究成果获得黑龙江省技术发明一等奖。