外翻式末端效应器结构&机构设计与仿真分析

摘要

我国载人航天的第三步是建立长期有人照料的大型空间站。空间站机械臂是空间站重要组成部分，其工作内容涉及到空间站各舱段的在轨组装、荷载搬运与舱外在轨维护。末端效应器作为空间站机械臂的执行部件，安装在机械臂的两个末端，分别承担机械臂肩部和腕部的角色。
　　论文基于我国未来空间站实验舱机械臂的任务需求，在调研及消化吸收国外已有末端效应器设计技术基础上，设计了一种外翻式末端效应器（包括末端执行器与目标适配器）的结构与机构子系统，并对其进行了相关仿真分析，后期制作了物理样机，相关研究内容如下:
　　论文首先根据我国空间站实验舱机械臂设计要求给出了末端效应器的捕获锁合原理，详细设计了末端效应器各个组件;其次，通过多刚体动力学分析软件MSC.Adams对末端效应器虚拟样机进行运动学仿真分析，给出了末端效应器捕获锁合过程中的具体参数并验证了所设计的末端效应器功能优越性;再次，通过对末端效应器结构受力情况分析确定其危险部件，并应用有限元软件对其进行了结构静力分析;最后对发射状态下末端效应器的模态、频响进行分析。分析结果表明，所设计的末端效应器满足空间机械臂末端效应器的各项功能要求，连接刚度大，电源与信号连接可靠，且在发射状态与工作状态下其结构强度与刚度皆满足要求，可靠性高。论文的研究结果对未来我国空间站机械臂末端效应器的设计具有一定的借鉴与参考作用。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 空间机械臂的发展历程

1．2．1 航天飞机机械臂

1．2．2 国际空间站机械臂

1．2．3 欧洲机械臂

1．3 末端效应器的国内外研究现状

1．3．1 加拿大臂Ⅰ末端效应器

1．3．2 加拿大臂Ⅱ末端效应器

1．3．3 欧空局机械臂末端效应器

1．3．4 日本某在轨装配机械臂末端效应器

1．3．5 国内研究现状

1．4 论文研究内容

第二章 外翻式末端效应器的结构及机构设计

2．1 引言

2．2 实验舱机械臂任务需求分析

2．3 外翻式末端效应器设计原理分析

2．4 末端效应器设计思路及工作原理

2．4．1 原理验证

2．4．2 方案改进

2．4．3 方案优化

2．4．4 外翻式末端效应器的工作原理

2．5 末端效应器详细设计

2．5．1 结构框架设计

2．5．2 抓取机构设计

2．5．3 驱动系统设计

2．5．4 导向设计

2．5．5 传感器布置

2．5．6 目标适配器设计

2．6 本章小结

第三章 外翻式末端效应器的运动学分析

3．1 引言

3．2 抓钩锁合机构奇异性分析

3．2．1 抓取过程的奇异性分析

3．2．2 抓取完成后的自锁性能分析

3．3 锁合力需求分析

3．3．1 末端效应器连接端面力矩分析

3．3．2 锁合力需求计算

3．4 末端效应器工作初始条件分析及仿真设定

3．4．1 初始条件及边界条件设定

3．4．2 末端效应器仿真模型

3．5 末端效应器仿真结果分析

3．5．1 导向性能分析

3．5．2 锁合性能分析

3．5．3 电连接器连接性能分析

3．5．4 仿真结果小结

3．6 小结

第四章 外翻式末端效应器结构力学分析

4．1 引言

4．2 有限元的基本概念

4．2．1 有限元法的基本步骤

4．2．2 有限元求解软件

4．3 末端效应器关键构件静力学分析

4．3．1 末端效应器关键部件论证

4．3．2 抓钩有限元模型

4．3．3 抓钩有限元分析结果

4．4 末端执行器结构框架动力学分析

4．4．1 结构模态分析的理论基础

4．4．2 模态分析条件

4．4．3 模态分析结果

4．5 末端执行器频响分析

4．5．1 模态频率响应分析的基本理论

4．5．2 频率响应分析条件

4．5．3 频率响应分析结果

4．6 本章小结

第五章 外翻式末端效应器物理样机研制

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 进一步的工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文