空间站机械臂转位系统动力学建模及特性分析

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechn0109y2013年6月第3期空间站机械臂转位系统动力学建模及特性分析赵志刚赵阳葛卫平刘暾(哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001)摘要为分析空问站在应用机械臂转位过程中的动力学特性，采用矢量力学方法推导了考虑偏心量的空间站转位系统动力学模型。使用有限元方法描述柔性臂的弹性变形，应用Newton—Euler法建立空间站机械臂转位系统转动方程，并采用Lagrange法建立柔性臂振动方程；针对柔性机械臂末端带有大负载的特点，将末端弹性变形

2、引起的负载角速度从负载绝对角速度中分离，应用约束模态展开法对动力学方程进行降阶。提出了构造降维矩阵的方法以便于利用空间动力学模型研究机械臂平面转位问题；分析了空间站舱体转位过程中系统的转动惯量、偏心量发生变化的特性。数值仿真结果表明：空间站在转位过程中，系统总体相对于系统质心的转动惯量变化巨大，且偏心量变化范围甚至已超出了空间站核心舱的几何范围。结论可为空间站的控制系统设计提供理论参考。关键词柔性机械臂转位动力学建模有限元偏心量空间站DOI：10．3780／j．issn．1000一758X．2013．03．

3、0041引言中国拟建造的空间站为模块化空间站，将由核心舱、实验舱、载人飞船、货运飞船等多个舱段在轨组装而成，实验舱和载人飞船可统称为功能舱。核心舱前端的节点舱有多个对接口，可供功能舱进行对接。然而功能舱与核心舱的空间直接径向对接由于诸多原因难以实现口3

4、，需要利用空间机械臂将舱体从轴向转位至径向对接口。空间站转位系统主要有以下特点：1)舱段体积大、惯量大、外界干扰大，系统为多柔性体，且对接舱段与被对接舱段质量级别相当；2)机械臂的质量较小，刚度较低。上述特点加大了空间站建模及控制的复杂程度和难度。文献[4—

5、5]研究了空间站转位动力学的建模问题，并分别建立了单杆机械臂和双杆机械臂舱段转位的多体动力学模型。但是上述研究工作为了便于简化动力学建模，在模型建立和仿真分析时，把空间站和机械臂均视为刚体，未考虑机械臂柔性的影响。文献[6]研究了柔性关节刚性机械臂的空间站舱段转位动力学建模问题。本文针对空间站舱体转位问题，基于空间站转位系统的特点，在进行动力学建模时考虑系统整体质心、偏心的变化，同时考虑机械臂柔性的影响。目标是建立一个能够反映空间站转位系统动力学特性的模型，并以此作为研究基础系统地分析空间站舱体转位过程中的

6、动力学特性。2空间站转位系统描述2．1系统简化模型与坐标系机械臂抓取被转位的功能舱从轴向转到径向对接口的转位过程如图1所示，实线表示转位前，虚线表示转位后。国家重点基础研究发展计划(973计划)(2013cB733000)；国家自然科学基金(50975056、11072066)资助项目收稿日期：2012—1220。收修改稿日期：2013ol_10!!!i生!旦主垦窒间型兰垫查：§在空问站转位系统动力学建模中，作如下假设：1)核心舱上已对接的其他舱体(如货运飞船)，可以将其与核心舱一起作为刚性整体考虑；2)被

7、转移功能舱不考虑其本体及附件的柔性；3)转位之前，功能舱已被机械臂抓住，舱体转位的执行机构为单杆柔性机械臂。空间站转位系统简化为三体系统，其简化模型如图2所示，其中A、B和C体分别表示核心舱、柔性机械臂和被转移舱。机械臂与核心舱的铰接处为b点；机械臂未产生弹性变形的状态和产生弹性变形的实际状态分别用实线和虚线表示，机械臂在两种状态下与功能舱的铰接处分别为c点和c’点。建立坐标系如下：惯性坐标系EX。y。Z一和轨道坐标系国。y。z。，定义同文献[5]；核心舱A体固连坐标系6T。y。z。：基矢为e。，原点6设定

8、在b点。若空间站处于理想飞行姿态，坐标系6z。y。z。和坐标系陇。y。z。的同名轴相互平行，且指向一致。机械臂B体肩部(前端)固连坐标系6z“yuzs：基矢为氏，原点同坐标系k。y。z。；机械臂B体腕部(末端)固连坐标系f7“执‰：原点c7设定在c7点；功能舱C体固连坐标系c7z。y。z。：基矢为e。，原点同坐标系c7‰3，。‰。空间站转位初始时刻，6zn挑‰、c’“ye‰和c7z。y。2。的各坐标轴与坐标系6z。y。z。同名轴平行，指向相同。图1单杆机械臂空间站转位不恿图2空I司站转位原理简图Fig．1S

9、chematicoftransformationofspacestationFig．2Schematicoftransformation。fspacestation图2中惯性坐标系原点E到总质心0的矢量记为R。，b点到总质心0的矢量记为P，又称偏心量。b点到A体质心0。和B体质心0“的矢量分别记为p。。和pn。；b点到A体和B体上任一质点dm的矢量分别记为p。和p。；另外b点到c点的矢量(即臂轴向方向上的矢量)记