载人航天器柔性机械臂的动力学建模方法.pdf

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1、V01．22No．5航天器工程第22卷第5期!!墨里垒曼垦垦垦垒!!垦丛生!堕兰垦垦!堕鱼!!!i至!!旦载人航天器柔性机械臂的动力学建模方法刘志全危清清王耀兵(北京空间飞行器总体设计部，北京10。094)摘要空间机械臂在载人航天活动中有着迫切的应用需求。航天器尺寸、质量等因素的限制使得空间机械臂具有大柔性的特点。文章结合空间机械臂应用环境的特殊性，论述了空间柔性机械臂多体动力学和关节的动力学建模方法，分析比较了不同建模方法的特点。为了满足未来空间机械臂在航天器工程应用的要求，文章指出，空间柔性机械臂宜采

2、用混合坐标法描述臂杆刚性运动与柔性变形的耦合；开展关节精细动力学研究，宜将重点放在齿轮传动系统的低速级上。关键词空间机械臂；动力学；建模；关节中图分类号：V414；V476．1文献标志码：ADoI：10．3969／j．issn．1673—8748．2013．05．005ReViewofFlexibleManipulatorDynamicModelingofMannedSpacecraftLIUZhiquanWEIQingqingWANGYaobing(BeijingInstituteofSpacecraf

3、tSystemEngineering，Beijing100094，China)Abstract：Thereisanurgentrequirementofthespacemanipulatorinfuturemannedspaceflight．Duetothe1imitsofsizeandweightofspacecraft，flexib订ityexistsinevitablyinspacemanipula—tors．Areviewofthedevelopmentofthemultibodydynamicm

4、odelingmethodsandjointdynamicmodelingmethodsiscarriedout．Differentmethodstoestablishdynamicmodelsofspacemanipu一1atorsarecompared．Tomeetthespacecraftengineeringapplicationrequirements，thepaperpointsoutthatthecouplingsbetweenflexibledistortionandmanipuIator

5、kinematicsshouldbedescibedwithhybridcoordinatemethod．Detaileddynamicmodelofgeartransmissionsystemshouldfocusonthelow—speedgeartrain．Keywords：spacemanipulator；dynamics；modeling；joint1引言空间机械臂是实现航天器在轨组装和空间维修等作业的重要支持设备。从20世纪70年代起，加拿大、日本、欧洲等相继开展了空间机械臂的研究，并成功将空

6、间机械臂应用在多种载人航天器上。加拿大SPAR公司研制的航天飞机遥操作机械臂系统(ShuttleRemoteManipulatorSystem，SRMS)L1-21于1981年应用于美国的航天飞机上。SPAR公司的空间站遥操作机械臂系统(SpaceStationRemoteManip—ulatorSystem，SSRMS)[33和日本实验舱遥控机械臂系统(JapaneseExperimentModuleRemoteManipula—torSystem，JEMRMS)[41及欧洲机械臂(EuropeanRo

7、—boticArm，ERA)[5曲1也分别于2001年、2008年和2013年应用到“国际空间站”上。中国未来的空间站收稿日期：2013一08一06；修回日期：2013一09一04作者简介：刘志全(1963一)，男，研究员，博士生导师，中国航天员科研训练中心可靠性专家组成员，研究方向为航天器结构与机构技术和航天器可靠性技术。Email：1iuzhiquanymj@sina．com。第5期刘志全等：载人航天器柔性机械臂的动力学建模方法也将应用空间机械臂执行相关空间作业任务[1⋯。应用于载人航天器上的大型空间

8、机械臂的质量小、负载质量大、活动范围大的设计需求决定了机械臂一般设计为细长结构，而细长结构和大质量的末端负载使得机械臂系统频率一般为零点几赫兹，柔性特征十分明显，因此带来的动力学与控制问题影响着空间机械臂在轨应用的效果。SRMS的应用结果表明[1]：SRMS约有工作时间的30％被用于等待柔性机械臂振动的衰减，可见，空间柔性机械臂大柔性的特点严重影响了空间柔性机械臂的工作效率。针对上述问题，国内外相关研究部门展开了空间机械臂柔性