平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真研究論文
引言
樣品抓取與轉(zhuǎn)移是深空探測的主要任務(wù)之一，平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)上述任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是最為關(guān)鍵的復(fù)雜系統(tǒng).平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)是在軌道交會對接任務(wù)階段，實現(xiàn)追蹤飛行器與目標(biāo)飛行器之間的對接、保持和樣品轉(zhuǎn)移等任務(wù)的重要部分.在完成在軌對接之后，平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)將在追蹤飛行器與目標(biāo)飛行器構(gòu)成的組合體飛行期間，按程序指令將樣品從追蹤飛行器轉(zhuǎn)移到目標(biāo)飛行器，保證樣品能夠進(jìn)入后續(xù)的任務(wù)工作環(huán)節(jié). 平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)能成功捕獲抓取樣品，并順利將其轉(zhuǎn)移至返回艙內(nèi)，是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程.地面驗證試驗很難模擬空間零重力環(huán)境，因此采用仿真技術(shù)建立虛擬數(shù)字樣機(jī)研究整個樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程的動力學(xué)問題成為關(guān)鍵和主要的手段.本文以平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)為研究對象，在Adams多體動力學(xué)仿真環(huán)境中建立了動力學(xué)仿真模型，詳細(xì)分析了樣品抓取與轉(zhuǎn)移整個工作過程中的動力學(xué)特性與規(guī)律，并分析了冗余設(shè)計工況，為平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計提供了參考作用.
1工作原理
對接機(jī)構(gòu)主動件安裝在追蹤飛行器上，被動件安裝在目標(biāo)飛行器上，對接機(jī)構(gòu)完成后進(jìn)行樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程.平行多連桿抓取機(jī)構(gòu)的功能要求是對樣品進(jìn)行捕獲，然后將其轉(zhuǎn)移至安裝在目標(biāo)飛行器內(nèi)的返回艙內(nèi).主要由抓取機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)等組成.
因兩套平行多連桿抓取機(jī)構(gòu)呈夾角式分布，且樣品采集器不規(guī)則，在轉(zhuǎn)移過程中樣品勢必會發(fā)生翻轉(zhuǎn).為了使樣品轉(zhuǎn)移過程平穩(wěn)安全，故在對接機(jī)構(gòu)被動件部分、主動件部分、返回艙部分均設(shè)置了能為樣品提供導(dǎo)向功能的導(dǎo)向槽.通過對導(dǎo)向槽及導(dǎo)向槽與樣品采集器之間的間隙的優(yōu)化設(shè)計，可以降低轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與樣品之間的接觸力，提高轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性. 轉(zhuǎn)移功能的實現(xiàn)主要利用了連桿機(jī)構(gòu)的行程放大特性及抓取機(jī)構(gòu)的單向鎖緊釋放特性，通過連桿機(jī)構(gòu)的反復(fù)收合，由抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖緊和釋放工作，從而將樣品采集器移動至目標(biāo)位置.
2動力學(xué)建模
在平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計原理與動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，采用adams軟件建立了動力學(xué)模型.在該模型中，假設(shè)追蹤飛行器和目標(biāo)飛行器的幾何中心在向坐標(biāo)相同，在整個樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程中，平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)在恒定的電機(jī)的驅(qū)動下經(jīng)過四次張開收合的過程，在每套機(jī)構(gòu)上的3組抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器的接觸力作用下將樣品采集器從追蹤飛行器移動到目標(biāo)飛行器內(nèi)，而樣品采集器與導(dǎo)向槽之間的接觸力將保證樣品采集器在運動過程中不至翻轉(zhuǎn).在目標(biāo)飛行器上設(shè)計了止動鎖緊裝置，使得樣品采集器在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)收合過程中不至反向運動，同時調(diào)整其姿態(tài).整個模型中包括轉(zhuǎn)動副(Revolute Joint)、平移副(RevoluteJoint)、驅(qū)動速度(motion)、樣品采集器與棘爪之間的碰撞接觸力(contact)、樣品采集器與導(dǎo)向槽之間的碰撞接觸力(contact)、樣品采集器與止動鎖緊裝置之間的碰撞接觸力(contact)等.
3仿真算例
3.1 正常工作
3. 1.1接觸力計算值
通過計算可以求得在樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程中，抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器之間的碰撞接觸力隨時間變化的曲線，反映了平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性，其中，后端抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器的碰撞接觸力計算值.
可以看出后端抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器之間碰撞接觸力最大值為64.1N樣品采集器導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力計算最大值為61.8N追蹤飛行器導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力計算最大值為20. 8N，目標(biāo)飛行器導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力計算最大值為28. 2N當(dāng)樣品采集器被轉(zhuǎn)移到目標(biāo)飛行器內(nèi)之后，經(jīng)過一段時間，樣品采集器與目標(biāo)飛行器之間的碰撞接觸力趨于平衡.
3. 2冗余設(shè)計分析
3. 2. 1樣品采集器位置與姿態(tài)偏移
經(jīng)仿真計算，當(dāng)只有一套平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)正常工作時，也能順利完成樣品轉(zhuǎn)移任務(wù).在這種工況下，姿態(tài)偏移量，經(jīng)過轉(zhuǎn)移過程，樣品采集器的位移與姿態(tài)都發(fā)生了變化，其中，樣品采集器X方向位置偏移為-1mm;Y方向位移為-565.8 mm ; Z方向位置偏移量計算值為-0. 005 mm ; X方向轉(zhuǎn)角為2. 09度，Y方向轉(zhuǎn)角為-1.08度，Z方向轉(zhuǎn)角為0度.
3.2.2接觸力計算值
通過計算可以求得在樣品轉(zhuǎn)移過程中，后端抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器之間的'碰撞接觸力以及樣品采集器與導(dǎo)向槽之間的碰撞接觸力隨時間變化的曲線，反映了平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動力學(xué)，其中，后端抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器的碰撞接觸力計算值.
從圖中可以看出，正常工作的后端抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器之間的碰撞接觸力有尖峰值出現(xiàn)，最大值為2006.8 N ;樣品采集器導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力較小，追蹤飛行器導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力有尖峰值出現(xiàn)，最大值1102. 7N，目標(biāo)飛行器導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力也有尖峰值出現(xiàn)，最大值為4342.5 N.當(dāng)樣品采集器被轉(zhuǎn)移到目標(biāo)飛行器內(nèi)之后，經(jīng)過一段時間，樣品采集器與目標(biāo)飛行器之間的碰撞接觸力趨于平衡，且平衡值為0.
由此可以看出，當(dāng)平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)正常工作時，后端抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器之間的碰撞接觸力、追蹤飛行器導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力以及目標(biāo)飛行器導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力均有較大的尖峰值出現(xiàn)，但樣品采集器位置與姿態(tài)偏移量并不明顯，因此，在材料剛度強(qiáng)度足夠的情況下，單套平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)也能正常完成樣品轉(zhuǎn)移任務(wù).
4結(jié)論
本文采用adams軟件建立了平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型，詳細(xì)分析了整個樣品抓取與轉(zhuǎn)移工作的動力學(xué)過程，通過計算得到了經(jīng)過樣品轉(zhuǎn)移過程之后，樣品采集器的位置和姿態(tài)的偏移情況，以及抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器碰撞接觸力和樣品采集器與導(dǎo)向槽之間的碰撞接觸力，同時對冗余設(shè)計進(jìn)行了分析，對空間飛行器平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計起到了分析指導(dǎo)作用.
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