考慮間隙和摩擦影響的空間機械臂動力學研究

《考慮間隙和摩擦影響的空間機械臂動力學研究》是依託清華大學，由閻紹澤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：考慮間隙和摩擦影響的空間機械臂動力學研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：閻紹澤
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨著載人航天和深空探測計畫的進一步實施，國內外對空間機械臂位姿精度提出了更高的要求。然而，目前空間機械臂動力學理論還不是很完善，由動力學分析理論不完備造成的空間機械臂建模的不完整性、非線性因素建模的不充分性，以及性能預測的不真實性，造成航天工程實踐中空間機械臂位姿難以精確控制，這嚴重製約著空間機械臂的發展。本項目以載人太空飛行器對空間機械臂高性能需求為背景，研究空間機械臂關節摩擦行為的演變過程、大減速比傳動裝置的非線性力學行為預示與能量輸運機制，以及在軌運行時空間機械臂與浮動基的耦合動力學行為，揭示間隙和摩擦對空間機械臂超低速運行時動力學特性的影響。這項研究將豐富和完善空間機械臂動力學理論，為解決空間機械臂研製與套用中的關鍵技術問題提供技術支撐，推動我國空間機械臂動力學分析技術的實用化進程，對提高空間機械臂動力學分析水平、關節傳動裝置的設計水平和空間機械臂運行可靠性具有重要意義。

結題摘要

本項目以載人太空飛行器對空間機械臂的高性能需求為背景，研究考慮關節間隙和摩擦影響的空間機械臂動力學建模與性能預示方法，為解決空間機械臂研製和套用中的關鍵技術問題提供技術支撐。針對空間機械臂動力學研究中由諧波關節、間隙和摩擦等帶來的難點問題，提出了接觸界面的真實接觸面積測量方法、考慮磨損的間隙副分析方法、間隙關節三維接觸建模方法、含間隙機構的運動複雜度定量分析方法，以及考慮粘滯-滑動的含間隙空間機械臂動力學分析方法。 從諧波關節工作原理出發，分析了柔輪與波發生器、柔輪與剛輪在輪齒齧入、完全嚙合、齧出和完全脫開時的接觸變形和摩擦粘滯特徵。依據摩擦學原理，構建了齒面之間滑動摩擦和滾動摩擦的物理模型，建立了考慮摩擦與齒側間隙的電機-波發生器-柔輪-剛輪的系統動力學模型，分析了齒側間隙和摩擦等非線性因素對減速器輸出軸運動精度的影響。考慮諧波關節的負載扭矩、轉動速度以及接觸表面狀態等影響因素，分析了齒輪副嚙合過程中的能量輸運與耗散機制，以及間隙和摩擦對輸入軸與輸出軸力矩傳遞特性的影響。研製了諧波齒輪傳動嚙合及柔輪變形測試系統和低速及超低速工況下諧波傳動實驗台，理論分析和實驗結果揭示了諧波關節的低速爬行機理。 提出了浮動基-關節-臂桿的系統耦合動力學建模方法，分析了間隙和摩擦等因素對空間機械臂位姿精度的影響，以及諧波關節摩擦與臂桿柔性之間的耦合效應。為了有效評估機械臂動力學特性，提出了綜合考慮臂桿柔性和諧波傳動對輸出精度影響的評價指標，分析了精度指標隨滯後相位角及彈性模量的變化規律。研製了一種可調節臂桿剛度的機械臂實驗台，通過實驗揭示了臂桿柔性與機械臂關節的耦合動力學行為。 已按期完成了項目規定的全部研究內容，實現了該項目的研究目標，發表科研論文27篇，其中SCI收錄12篇，EI收錄18篇；授權發明專利2項，申請發明專利5項；畢業博士生3名，在學博士生4名；畢業碩士生4名，在學碩士生1名。