1 前言
在未来的空间实验室尤其是空间站的组装与运行期间，空间机械臂的作用更加重要。太空环境具有微重力、高真空、温差大、强辐射和照明差等特点，让航天员在空间作业具有很大的危险性，而且成本也很高。因此，随着空间技术的发展和空间机器人技术的日益完善，机器人化是实现空间使命安全、可靠、低消耗的有效途径。在载人航天第二期工程（空间交会对接）中，拟在目标飞行器上设置舱外摄像运动支架，利用安装在运动支架上的摄像设备拍摄空间交会对接实况，另外还可监测目标飞行器在空间的受损情况。舱外摄像运动支架本质上是一个小型的空间机械臂，只是这个空间机械臂的末端没有安装端头效应器或者抓手，而是安装了一套摄像装置。 空间机械臂和一般的工业机械臂不同。空间机械臂处于空间微重力环境下，其基座一般处于自由漂浮状态，它的运动学和动力学存在耦合，这给空间机械臂的研制造成了很大的困难。因为我们在地面上很难模拟微重力环境，所以在空间机械臂的研制过程中，仿真就成为重要的手段。
较有影响的商用多体动力学软件有比利时的LMS Virtual Lab Motion，美国 MSC公司的 ADAMS，以及德国航空航天局的SIMPACK 等。本文选用LMS Virtual Lab Motion作为仿真环境。
2 仿真模型的建立
舱外摄像运动支架共有六个自由度，六个都是旋转关节，其中：肩部 2 个自由度，肘部 1 个自由度，腕部3 个自由度。运动支架安装在目标飞行器上，运动支架在完成动作的过程中，不对目标飞行器姿态进行控制，整个多体系统处于微重力环境下，基座处于漂浮状态，属于无根多体系统。运动支架的三维模型如下图1 所示：
图1 运动支架的三维模型
2.1 建立多体仿真模型方法概述
1.机械系统的物理抽象。
2.获取模型的运动学参数，建立抽象系统的运动部件、铰链，从而建立运动学模型。校验模型的自由度及正确性，为建立动力学模型做好准备。
3.通过查取或试验获得模型的动力学参数，描述模型中部件、铰链与弹性元件及外界条件的特性，建立动力学模型。
4.对动力学模型进行调整与仿真计算。
5.对仿真结果进行后处理。 为了保证仿真模型的精度，一般步骤 2 ～4 需要多次反复。
2.2 机械臂的运动学模型
按照D－H规则建立整个系统的刚体坐标系。如图2:Zi-1表示第i个关节的转轴，第0个坐标系与第0个刚体即基座固连。
图2 支架 D－H 坐标系
2.3 建立三维实体模型
在建立三维实体模型的时候，要根据仿真的目的，对复杂的机构进行简化。本文将运动支架的各装配构件整体简化为刚体，不考虑关节柔性、摩擦、间隙等因素。LMS Virtual Lab 是基于法国达索公司的V5应用框架，包括 V5出色的用户界面、CAE 数据处理和建模能力。LMS Virtual Lab 的三维建模功能要比其它多体软件像ADAMS 强大。简化的三维实体模型如下图3 所示：
图3 简化的三维实体模型
