弱碰撞半物理仿真系统的机构设计与实验

摘要

弱碰撞半物理仿真(或称半实物模拟)系统是空间试验关键技术之一，也是我国探月工程的必要试验装置，其工作核心由运动模拟器组成。为了真实地模拟空间中的碰撞运动，运动模拟器需要具有高刚度、大承载、高精度、高动态响应等特性，而弱碰撞对接的特殊性又对高频响、工作空间、各向同性有更为严格的要求。目前的运动模拟器在动态响应、工作空间及各向同性等方面都无法满足弱碰撞测试的需求。针对现有技术的不足，本文设计了一种全新的高性能运动模拟器，进行了从机构构型、尺度设计、结构设计直至驱动系统设计的一体化全面设计，并在制造装配完成后对系统的精度进行了标定，具体内容如下：
　　（1）提出了一种双运动模拟器协作的九轴联动系统。通过对试验需求的分析，提出了一种创新的六自由度3-3正交并联机构，该机构与当前广泛采用的Stewart机构相比，需求工作空间/可达工作空间的占比很高，具有更好的动态响应特性及优良的各向同性，在工作空间内不易发生奇异，同时还具有高刚度、大承载、高精度等特点；为模拟系统进行了运动学建模、控制方案设计、以及虚拟现实系统搭建。
　　（2）基于本文发现的一种关键点特性进行了机构尺度设计。提出了一种直观且全面的工作空间描述方法；发现并证明了运动模拟器的一类关键点特性；利用这种关键点特性提出了一种基于工作空间需求的机构尺度设计方法，其结果准确、计算量小；之后对运动模拟器的干涉和条件数进行了分析。
　　（3）基于动态响应进行了尺度优化设计。建立了系统的等效惯性和刚度参数模型，以及机构尺度对系统的刚度、固有频率的影响关系模型；利用此模型并结合关键点和优化算法对机构尺度进行了优化设计；最终完成了运动模拟器的结构设计。
　　（4）以提升动态响应为目标进行了驱动与传动系统设计。建立了运动模拟器的动力学模型和机电一体化数字样机；分析了驱动、传动系统与驱动能力需求之间的关系，并对驱动传动系统进行了综合设计；最后通过实验对模拟器的综合性能进行了考核。
　　（5）全面分析了系统运动精度的影响因素，建立了机构运动学参数误差对输出精度的影响关系模型；提出了以外部测量标定法为基础并辅以内部测量的标定方法；建立了两种运动学参数辨识模型，并利用计算机实验进行了性能评估；提出了一套完善可行的标定实验方案，并利用此标定方案对系统进行了标定，保证了对接过程的模拟精度。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2运动模拟器的发展现状

1.3空间交会对接地面模拟系统

1.4空间碰撞半实物模拟技术

1.5空间弱碰撞式对接模拟技术

1.6模拟器机构技术研究现状

1.7课题意义及主要研究内容

第二章 弱碰撞半实物模拟系统的构型及建模

2.1引言

2.2弱碰撞半实物模拟的运动功能

2.3基于弱碰撞需求的机构构型

2.4半实物模拟机构的参数分析

2.5半实物模拟机构的运动学建模

2.6九轴联动系统的运动协同建模与实验

2.7本章小结

第三章 模拟器的尺度设计关键点法

3.1引言

3.2弱碰撞式对接模拟的运动空间参数建模

3.3碰撞模拟机构尺度与运动学特性的关系

3.4碰撞模拟机构的关键点

3.5基于关键点特性的尺度设计

3.6碰撞模拟机构的干涉与条件数分析

3.7交会模拟机构的尺度设计

3.8本章小结

第四章 基于动态响应的尺度优化设计

4.1引言

4.2模拟器的等效惯性参数建模

4.3模拟器的等效刚度参数建模

4.4固有频率及尺度综合的参数建模

4.5基于动态响应及关键点的尺度优化

4.6模拟器的结构设计

4.7本章小结

第五章 模拟器的驱动与传动系统设计

5.1引言

5.2模拟器的动力学建模

5.3模拟器的机电一体化数字样机

5.4模拟器的驱动能力需求分析

5.5模拟器驱动与传动系统选型

5.6模拟器的综合性能测试实验

5.7本章小结

第六章 模拟器的精度分析与标定

6.1引言

6.2模拟器的精度影响因素分析

6.3模拟器参数误差传递模型

6.4模拟器尺度参数辨识模型

6.5模拟器参数辨识模型收敛性分析

6.6模拟器尺度参数的标定与实验

6.7本章小结

第七章 全文总结

7.1研究内容总结

7.2论文创新点

7.3研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间申请的专利

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢