e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

LMS Motion在空间机械臂研制中的应用

2017/1/9    来源:互联网    作者:樊鹏      
关键字:空间机械臂  多体动力学  LMS Virtual Lab Motion  
本文建立了空间机械臂这个自由漂浮基座多体系统的多刚体动力学模型,分析了舱外摄像运动支架运动过程中关节力矩和对目标飞行器位姿的影响,并给出了多刚体系统建模的一般流程。

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

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

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

图3 简化的三维实体模型

责任编辑:马倩
本文来源于互联网,e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载,为网友免费提供,并以尽力标明作者与出处,如有著作权人或出版方提出异议,本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们,以便我们及时纠正。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐