中国空间科学技术

中国空间科学技术 ›› 2013, Vol. 33 ›› Issue (3): 22-29.doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2013.03.004

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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   

  1. （哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001）
  • 收稿日期:2012-12-20 修回日期:2013-01-10 出版日期:2013-06-25 发布日期:2013-06-25
  • 作者简介:赵志刚 1982年生，2008年获哈尔滨工业大学固体力学专业硕士学位，现为哈尔滨工业大学固体力学专业博士研究生。研究方向为空间飞行器动力学与控制、柔性多体动力学建模及振动抑制等。
  • 基金资助:

    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

DynamicModelingandCharacteristicsAnalysisforManipulatorTransformationSystemoftheSpaceStation

 ZHAO  Zhi-Gang, ZHAO  Yang, GE  Wei-Ping, LIU  Tun   

  1. (SchoolofAstronautics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001)
  • Received:2012-12-20 Revised:2013-01-10 Published:2013-06-25 Online:2013-06-25

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被引次数

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摘要： 为分析空间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

Abstract: Tostudythedynamiccharacteristicsofthespacestationtransformationviamanipulatorsystem,avectormechanicsmethodwasadoptedtodeducethedynamicequations.Thedynamicmodelingconsideringtheeccentricitywasestablished.Theelasticdeformationoftheflexiblemanipulatorwasdepictedbythefiniteelement(FE)method.ThedynamicmodelrepresentingtheattitudemotionwasestablishedwiththeNewtonEulermethod.ThevibrationsoftheflexiblemanipulatorcanbeobtainedbytheLagrangeapproach.Theloadangularvelocitycausedbythetipofelasticdeformationofthemanipulatorwasseparatedfromtheabsoluteanglevelocityoftheload.Toreducethedimensionsofthedynamicequations,aconstrainedmodeexpansionmethodwasusedfortheflexiblemanipulatorwithaheavyload.Themodelreductionmatrixfromspacetoplaneofthespacestationtransformationviamanipulatorwasproposed.Thesimulationresultsshowthattheoverallmomentofinertiarelativetothecenterofmasschangesgreatlyinthetranslocationprocessofthespacestation.Thescopeoftheeccentricityisbeyondthescopeofthegeometryofthecoremodule.Theresultscanbethetheoreticalreferencefordesigningcontrolsystemofspacestation.

Key words: Flexiblemanipulator, Translocation, Dynamicmodeling, FiniteelementEccentricity, Spacestation