空间绳系机器人系统动力学建模与仿真研究.pdf

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1、第35卷第1期宇航学报Vo1．35No．12014年1月JournalofAstronauticsJanuary2014空间绳系机器人系统动力学建模与仿真研究胡仄虹，黄攀峰，孟中杰(1．西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室，西安7100722．西北工业大学智能机器人研究中心，西安710072)摘要：针对经典“珠子”模型在计算精度和求解速度方面的不足，提出了一种基于有限单元法的高精度建模与快速求解方法。首先在考虑系绳非线性应力一应变关系的基础上，利用Hamilton原理和C—w方程推导了系统在轨道坐标系下的动力学模型，然后使用三

2、阶的一维单元对系绳进行了离散化处理，并给出了一种利用纽马克一卢法进行预估，由Newton．Raphson法进行迭代校正的高效时域求解算法，从而实现了对于系统状态的高精度快速求解。仿真结果表明：与经典的“珠子”模型相比，在分段长度相近的情况下，本文的方法不仅求解精度更高，而且计算速度能够提高至少10倍，另外还能够避免仿真过程中张力出现虚假振荡。关键词：空间绳系机器人；有限单元法；Hamilton原理；Newton—Raphson迭代中图分类号：V448．25：V423．9文献标识码：A文章编号：1000—1328(2014)0l-0

3、028—11DoI：10．3873／j．issn．1000—1328．2014．01．004DynamicsModelingandSimulationofTetheredSpaceRobotSystemHUZe-hong，HUANGPan-feng，MENGZhong-jie(1．NationalKeyLaboratoryofAerospaceFlightDynamics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China；2．ResearchCenterofIntellig

4、entRobotics，SchoolofAstronautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)Abstract：Basedonthefiniteelementmethod，amethodwithhighaccuracyandgreateficiencyisproposedtosupplythedeficiencyoftheclassicalbeadmode1．First，basedonnonlinearstress—strainrelation，the

5、dynamicsmodelundertheorbitcoordinatesystemisderivedbyusingHamiltonprincipleandC—WEquation．Then，thespacetetherisaccuratelydiscretizedbythethird—orderone—dimensionalelement．Furthermore，aneweficienttime—domainsolvingalgorithm，usingtheNewmarkmethodforestimationandtheNewto

6、n—Raphsoniterationforcorrection，isproposed．Thus，thegoalofquicklyandaccuratelysolvingthesystemstatusisimplemented．Comparedwiththeclassicallumpedmassmodelresultsoftheproposedalgorithmdemonstratethatinthecaseofhavingsimilarsegmentlength，theproposedalgorithmshowshigheracc

7、uracy．reducesthetimeconsumptionofcomputationat1east10timesandavoidsthepseudooscillationintensilestress．Keywords：Tetheredspacerobot；Finiteelementmethod；Hamiltonprinciple；Newton—Raphsoniteration统复杂、碰撞风险高，因而在非合作目标操作等方面0引言存在着很大的局限性。利用空间系绳取代多自由度近年来，随着空问技术的发展，空间任务日趋多机械臂，构成如

8、图1所示的由“平台／基座+空间系样化和复杂化，对于故障卫星维修轨道垃圾清理绳+抓捕装置”组成的空间绳系机器人(TSR)，不仅等在轨服务技术的需求越来越迫切。目前应用能将传统机器人的操作半径延伸至百米量级，避免非常广泛的“平台／基座+多自由度机械臂+