转位机械臂捕获初始条件分析

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1、工程技术载人航天2011年第2期转位机械臂捕获初始条件分析胡雪平时军委沈晓鹏刘艳(上海宇航系统工程研究所)摘要对接环的推出精度、主被动环的间隙是转位机械臂捕获锥捕获初始条件偏差的主要来源；二者与捕获初始条件偏差的关系由转臂的尺寸、舱体的尺寸决定；用矢量分析的方法，建立了从转位机械臂到节点舱接纳锥空间位置姿态关系的解析数学模型，应用AdarIls和Matlab软件对捕获初始条件范围进行了计算和分析，为接纳锥尺寸设计及机械臂方案提供了依据。关键词推出精度间隙初始条件位置姿态转位机械臂分类号v526文献标识码A文章编号1674—5825(2011)02—00

2、09—061引言空间站由核心舱和具有生活、实验等不同功能的舱段组成，核心舱前端是节点舱，空间站示意图见图1。大型轨道复合体一般分阶段实施，先发射一个具有节点舱段的核心舱，然后将具有不同功能和设备的舱段发射至太空，后续发射的舱段先与核心舱前端的节点舱实现轴向对接捕获、刚性连接。然后，根据需要，需转移到非轴向的其他对接口上，本文称这类舱段为待转舱。转位机构即用于待转舱的位置转移。转位机械臂由压紧于待转舱的旋转臂、捕获锥，以及位于节点舱的匹配基座接纳锥等主要部分组成，转位机械臂示意图见图2【I】。捕图2转位机械臂示意图图l空间站示意图来稿日期：2010_ll

3、—03；修回日期：20ll埘一22。作者简介：胡雪平(19r77．05一)，女，硕士，工程师，主要从事机构动力学仿真工作。9载人航天2011年第2期工程技术转位机械臂(简称转臂)安装在待转舱体上，在待转舱与节点舱完成轴向对接后，转臂实现待转舱的侧向再对接。其中两个环节有较大误差，待转舱主动对接环与节点舱被动对接环之间有一定间隙，待转舱主动对接环轴向推出时有一定误差，这两个环节的误差使得转臂捕获锥捕获接纳锥时，在接纳锥端面形成一定形状的包络。包络中距离接纳锥端面圆心最远的距离，这个距离就是接纳锥半径设计的最小值，即接纳锥的设计半径应该能包住包络。如果包络

4、尺寸较大，相应地，接纳锥的半径较大，因此，接纳锥的质量和体积会较大，这导致接纳锥的基座较大，而较大的基座会影响飞船的质量分布，考虑到振动的因素，将对飞船发射造成不利影响。因此，接纳锥半径的大小对转位机械臂方案的设计有重要的作用。对接转位过程见表l。表1对接转位过程一』^一，厂＼＼JL．／＼一ll一／Ⅳ＼．㈣眨一龋＼／∥l，，一I、／、1r厂＼一V，一／’V，。(A)对接捕获(B)刚性连接』^J，、＼_r—＼_·．一／v，。一V，(C)对接环推{B、转臂释放(D)转臂捕获基座接纳锥并锁紧／yJ^^画、J，，‘V，。(E)转臂驱动待转舱上翻(F)转臂摆动待

5、转舱到侧向Ul／u。l剧一、-，，“、J，(G)转臂驱动待转舱下翻(H)侧向对接、转臂复位10工程技术载人航天2011年第2期2坐标系定义坐标系示意图见图3、图4，图4是图3沿着A．A轴切开的剖面图。主动对接环坐标系D。X。y．Z，原点D，在主动对接环前端面中心，DⅨ。轴与待转舱体对称纵轴重合，指向飞行方向，D，y。轴与D，x．轴垂直，指向对接机构第三象限，D。五轴由右手定则确定，该坐标系固结于待转舱。被动对接环坐标系DZ：l，幺，原点0：在被动对接环前端面中心，没有间隙的情况下，主被动对接环坐标系原点一致，坐标轴方向一致，但是，实际上主被动对接环在柔

6、性连接的情况下，两者之间存在间隙，该间隙称为环环之间的间隙，在被动对接环坐标系上表示为(孙帕，z。)以及(如，蛾，如)。图4所示。接纳锥坐标系0’撂’：l，’Z：，原点07：取在接纳锥外端面圆心，07Z’：轴沿着接纳锥轴线，从转臂到接纳锥为正向，D7：l，’：轴垂直于剖面，D’∥：轴正方向如图4所示。图4A—A剖面示意图3转位机械臂的空间位置姿态关系载人航天2011年第2期工程技术；=乏e，士如《e。(3)r2I』生2I—A缸垒21＆【，3J即h利茸弓(4)与2节所述各坐标系的原点相关的矢量关系图见图5，从捕获锥坐标系原点到接纳锥坐标系原点的矢量R’：

7、，是待求的量，理论上，没有间隙和推出偏差的情况下，矢量R’：，在接纳锥坐标系的横轴Y和z上的分量是0，考虑间隙和推出偏差范围内的组合情况，矢量R’：，在接纳锥坐标系的横轴Y和Z上的分量的关系，是设计接纳锥尺寸的基础。图5矢量关系图根据图5有，Rl—R’2I—K+心I—Rld=o(5)设^是理论推出高度，推出偏差在主动对接环坐标系上的分量为(轧y彬。)，那么R．。在主动对接环坐标系中的表示是(戈。札，，，。，z。)，环环之间的间隙在被动对接环坐标系上的位移分量为(粕，知，细)。A。，为主被动对接环坐标系间的姿态转换矩阵，环环之间的间隙的角度分量为(蛾，岛

8、，如)，蠕，巩，粕分别为'，绕轴的偏航角，绕瞬时三轴的俯仰角，绕瞬时菇轴的滚转角。A。。为主动