三维重力补偿方法与空间浮游目标模拟实验装置研究

论文摘要

空间机器人是人类探索宇宙、利用太空资源的重要工具，是国家科技水平和经济实力的具体体现。建立能够模拟太空微重力环境的实验系统是进行空间机器人研究的必要条件，也是目前存在的关键技术难点。本文的研究目的是在地面开发出高精度的微重力模拟实验平台，实现空间机器人对浮游目标的捕获功能验证。 主要内容为： 1、介绍了利用释放重力加速度和空间轨道运动来制造微重力环境的方法；闸述了目前采用平衡力来补偿和抵消重力的悬挂法、水浮法、气浮法三种主要的空间机器人功能验证地面试验方法与设备。 2、将悬挂法和其他重力补偿方法做了对比；通过对吊丝配重法的静力学和动力学分析与实验测试，可知其重力补偿效果和系统结构设计存在不足，提出了模型配重质量对分方法，同时也提出克服摩擦或减小摩擦是吊丝配重技术的关键问题：最后还研究了主动重力补偿方法和半丰动重力补偿方法。 3、提出了模拟空间浮游目标六自由度运动的实现方法，介绍了平面主动移动和被动滑行机构，研究了柱坐标式空中行走随动机构的动力学模型及其运动学逆解方法；针对悬挂模块提出时间最优控制方法，并对运动跟踪过程进行了数值模拟，模拟结果表明所用的路径规划是有效的。 4、研究了水浮模型研制中配体、浮心重心合一等问题，并设计了水浮式空间机器人功能验证装置；通过流体动力学分析发现了水中模型运动所产生的附加质量会影响模拟试验的相似性，提出改变模型质量以达到1：1高度相似的模拟。 5、通过对气动系统的压力、流量等流动特性研究，建立了低摩擦气缸结构参数和气压动力与泄露量的数学模型；根据重力平衡思想，提出了气压式重力补偿方法，设计制造出新型低摩擦(“无摩擦”)气缸，测试实验表明该气缸可以用于三维重力补偿系统。 6、介绍了吊丝配重型模拟卫星，指出其在质量、惯量上与模拟对象有较大差别；利用所设计的低摩擦气缸制造出可实现六自由度运动模拟卫星模型，具备

论文目录

• Abstract
• 摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 空间机器人技术
• 1.1.1 太空环境
• 1.1.2 空间机器人
• 1.2 制造微重力环境方法和空间机器人功能验证方法
• 1.2.1 利用重力加速度创造微重力环境的方法与设备
• 1.2.1.1 简单自由落体运动
• 1.2.1.2 自由飞行抛物线轨迹
• 1.2.1.3 太空轨道环境
• 1.2.2 浮力平衡重力方法
• 1.2.3 利用高压气体平衡重力方法
• 1.2.4 机电控制拉力平衡重力方法
• 1.3 本文研究内容
• 1.3.1 本课题研究目的和意义
• 1.3.2 本文主要内容
• 第二章 悬挂式重力补偿方法与装置
• 2.1 悬挂法与悬挂装置
• 2.1.1 空间机器人功能验证试验及其在悬挂装置中的处理方法
• 2.1.2 悬挂法的优缺点
• 2.1.3 模拟试验要求与设备设计指标要求
• 2.2 吊丝配重式装置研究
• 2.2.1 吊丝配重式装置的系统分析
• 2.2.1.1 绳系与轮系
• 2.2.1.2 动力学分析与提高模拟效果的方法
• 2.2.2 吊丝配重系统的设计与研究
• 2.2.2.1 吊丝与悬挂物连接的研究与设计
• 2.2.2.2 悬挂式浮游目标器模型和配重的研究与设计
• 2.2.2.3 捕获接口位置设计
• 2.3 吊丝配重装置的实验研究
• 2.3.1 实验一
• 2.3.2 实验二
• 2.4 克服摩擦措施与方法
• 2.5 悬挂式主动控制重力补偿方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 重力补偿系统的水平面内移动方法研究
• 3.1 太空浮游物体的六自由度与模拟方法
• 3.2 空间浮游物体模型平动的实现方法和机构设计
• 3.2.1 被动移动
• 3.2.2 主动移动
• 3.3 悬挂法中随动机构的运动学和动力学分析
• 3.3.1 随动机构运动学和动力学分析
• 3.3.1.1 运动学和动力学方程
• 3.3.1.2 运动学逆解与机械臂控制方法
• 3.3.1.3 基于正交试验样本学习和 RBF网络的运动学反解模型
• 3.3.2 悬挂模块的动力学分析
• 3.3.2.1 悬挂模块动力学模型—Lagrange法
• 3.3.2.2 随动跟踪中悬挂物动力学分析（达朗贝尔法）与数值解析
• 3.4 悬挂装置中跟踪运动的最优轨迹规划
• 3.4.1 运动规划方法
• 3.4.2 跟踪过程的数值模拟
• 3.5 本章小结
• 第四章 水浮法与空间机器人功能验证试验
• 4.1 水浮法的理论基础
• 4.2 液体内潜体和空间浮游物体的相似性研究
• 4.2.1 潜体
• 4.2.2 水浮空间浮游物体
• 4.3 水浮式空间机器人捕获目标器模拟实验的系统设计
• 4.4 空间机器人捕获目标器水下模拟原理与方法研究
• 4.4.1 自然科学中的相似原理在空间捕获模拟中的应用研究
• 4.4.2 水对不同形状的捕获试验模型的影响
• 4.4.3 不对称物体的流体动力学特性研究
• 4.4.4 水浮试验模型的复杂问题分析与流体阻力求解
• 4.4.5 水浮模型受碰撞时的动力学分析
• 4.5 空间机器人捕获目标模拟水下实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 三维气浮重力补偿方法研究
• 5.1 空气静压运动副数学模型与设计
• 5.1.1 气膜润滑理论
• 5.1.1.1 气膜润滑的雷诺方程
• 5.1.1.2 气膜润滑的性能参数研究
• 5.1.2 气膜润滑的运动副设计
• 5.2 气压式重力补偿方法研究
• 5.2.1 气压式重力补偿理论与控制方法
• 5.2.1.1 气压式重力补偿原理
• 5.2.1.2 低摩擦气缸与活塞间缝隙流动建模与分析
• 5.2.2 新型低摩擦气缸设计
• 5.3 气动重力补偿测试实验
• 5.3.1 实验装置与测试结果
• 5.3.2 实验分析与结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 六自由度模拟卫星设计
• 6.1 地面物体六自由度运动的实现方法
• 6.2 吊丝配重型模拟卫星设计
• 6.3 三维气浮型模拟卫星设计
• 6.3.1 系统结构设计
• 6.3.2 模拟卫星浮游运动推力装置设计
• 6.4 气浮式模拟卫星测试实验
• 6.4.1 模拟卫星与气浮台面摩擦力测试实验
• 6.4.2 模拟卫星三维主动浮游实验
• 6.5 几个值得深入研究的问题
• 6.6 应用三维气浮法的空间机器人地面功能验证装置设计
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文所做工作
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 不足之处与下一步工作展望
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢