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毕业设计（论文） 开 题 报 告 学生姓名 学 号 专 业 班 级 指导教师 课题题目及来源 : 题目 :空间机械臂关节非线性因素对指向精度的影响 题目来源 :自拟 课题研究的意义和国内外研究现状 : 1. 1 研究目的 图 1 空间机械臂辅助航天员完成任务 空间机械臂在人类探索太空的过程中扮演了重要角色 ，如图 1。作为航天员舱外工作的辅助工具，空间机械臂在替 代航天员完成部分工作的同时大大提高了安全性。 1981 年，美国哥伦比亚号航天飞机首次在外太空使用了机械臂。到目前为止，空间机械臂已经多次承担了外太空的操作任务，是航天技术研究的一个热门领域。 空间机械臂的机械部分主要由关节和臂杆组成。其中，关节是空间机械臂最为核心的组成部分，对空间机械臂动力学特性有着重要的影响。随着我国载人航天和深空探测计划的实施，越来越多的国内航天领域学者开始研究具有高位姿精度设计要求的空间机械臂。完善目前还不够完整的空间机械臂的动力学理论。 1. 2 研究意义 空间机械臂是 应用于航天器上的重要工具，其主要任务是释放、回收卫星以及完成在轨建设、维修作业等。然而，目前空间机械臂的动力学理论还不够完善，设计过程中空间机械臂位姿难以准确预判，严重制约了空间机械臂的发展 6。 因此，从传动装置出发，建立准确的空间机械臂关节动力学模型，研究空间 机械臂关节的动力学特性具有重要意义。 内外研究现状 空间机械臂的臂杆长度较大，空间机械臂的关节在尺寸来说相对较小。在早期的研究中， 谷勇霞 等人 认为 7： 实际工作条件下，臂杆柔性对机械臂末端运动精度的影响较为突出。如果应用场合对机 械臂的定位精度要求不太高，可以忽略关节柔性的影响，将每个关节作为一个旋转自由度来处理。 还有一些研究者 在铰链模型的基础上，引入铰链间隙，研究了间隙对机械臂运动过程中动力学性能的影响。但这些模型相对来说都过于简单，考虑得因素较少，不能满足机械臂高精度作业的控制要求。随着科技的进步，对于空间机械臂的精确控制的要求不断提高， 研究者们 又提出了 以下几种 改进模型 8 1、通过 建立空间机械臂的动力学模型 ， 并分别针对臂杆、传动关节刚柔性组合形成的四类动力学模型进行动力学特性分析。文献分别分析了臂杆柔性以及谐 波传动滞后对空间机械臂动力学特性的影响。研究表明，臂杆的柔性带来了输出角度曲线中的高频部分 ， 谐波传动所具有的滞后现象使得柔性空间机械臂与刚性空间机械臂的输出特性差异更加明显。 2、 建立了考虑了多种非线性因素在内的谐波齿轮传动关节动力学模型。关节动力学模型考虑了各种随时间变化的关节动力学非线性参数，主要包括粘滞阻尼、摩擦以及谐波齿轮的柔性变形。通过比较实验数据与动力学模型的数值仿真结果，证明了所建模型的准确性。但是， 当 谐波齿轮作为一个整体进行研究 时 ，并没有完整地体现出包括滞回特性在内的谐波齿轮传动的特 点。 3、 在对容错关节驱动的空间机械臂进行动力学研究时，建立了考虑了齿轮传动环节柔性与阻尼的空间机械臂关节动力学模型。但在研究行星齿轮传动环节时，将行星齿轮传动假设为理想啮合，对行星齿轮环节的动力学建模不够充分，因而没有全面体现出行星齿轮传动对空间机械臂整体动力学性能的影响。 最终 研究结果表明，除却空间机械臂本身的设计参数以外，不同的负载也会导致空间机械臂系统体现出不同的动力学特性。 在行星齿轮传动环节的建模过程中，考虑了包括时变啮合刚度、阻尼、齿侧间隙、啮合误差在内的非线性因素 1112。同 时 3指出，采用集中参数法进行动力学建模具有便于动态分析与求解的优点。在计算间隙非线性位移时，采用基于双曲正切函数的多项式来代替传统的分段函数表达式，从而保证了间隙非线性函数的连续可导性。 潘博 等人 1415同时还证明了在放大系数大于齿侧间隙的 1000 倍时，采用双曲正切函数多项式描述的间隙非线性位移与传统的间隙非线性位移在数值上具有较高的一致性，并大大提高了模型的求解效率。行星齿轮传动关节较小输出转角变化经过臂杆的放大作用会导致臂杆末端出现较大的运动误差，因此在研究关节动力学特性时， 对关节稳态转速而不是臂杆末端的运动误差波动进行研究。文献同时还研究了轮齿的综合啮合误差、负载、输入转速对关节动力学特性的影响。 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法： 本内容 研究对象：空间机械臂关节、指向精度； 研究的问题： 1、阐述课题背景，对国内外相关研究现状进行总结和分析； 2、根据主要技术指标，在分析国内外研究现状基础上制定总体设计方案，并阐明方案制定依据； 3、完成空间机械臂运动设计及建模、关节处的具体结构设计； 4、分析空间机械臂关节非线性因素确定关节非线性因素； 图 2 行星齿轮非线性纯扭转振动模型 5、分析不同行星轮系个数对指向精度的影响； 6、总结非线性因素对指向精度的规律性结论。 要解决问题 1、空间机械臂模型的建立。 建立空间机械臂模型，确定空间机械臂的自由度、质量、转动惯量。 2、关节处齿轮组的选择。 3、确定空间机械臂关节非线性因素确定关节非线性因素为：齿轮侧隙、啮合误差、摩擦因素、耦合误差。 4、根据空间机械臂自由度，确定不同行星轮系个数。 5、更改数组非线性因素与行星轮系个数，并进行动力学仿真。 6、针对仿真结果进行分析比对，得出 规律性的结论。 决办法 主要基于 行模型的建立与动力学仿真，通过改变动力学模型中齿轮组参数，完成对指向精度影响的分析。 图 3 空间机械臂三维模型 图 图 4 空间机械臂动力学模型 根据三维模型 图 3 和动力学模型 图 4 从而分析齿轮侧隙、啮合误差、摩擦因素、耦合误差对指向精度的影响。 在研究齿轮 侧隙时，通过侧隙模型，改变中心距从而实现对齿轮侧隙的控制 将侧隙分为 0,种情况分别研究对比，从而得到影响指向精度的规律性结论。 在研究啮合误差时，考虑到齿轮的材料刚度，密度，泊松比，杨氏模量等材料系数对啮合误差的影响，将分为 四种不同材料进行研究分析。然而简单的考虑到材料对于啮合误差的影响是单一的，所以将机械臂的转动速率考虑到其中，作为其影响因素之一。并将材料及速率二者因素结合分析对比，得出规律性结论。 研究摩擦对于机械臂指向精度的影响，主要分为以下四种不同情况： 据四种不同情况，建立摩擦模型，改变动力学模型中参数进仿真模拟，并将单关节与多关节分别研究，得出影响指向精度的规律性结论。 在研究耦合误差时，将上述的侧隙、摩擦模型、材料物理属性、速率综合分析，分别对单关节和多关节两种不同情况分析研究，得出规律性结论。 该研究方法其优点简化模型，优化算法，易于实现；缺点非线性因素可能不足，使得结论的准确性存在一定 的偏 差。 4321 , 1 徐灏 . 机械设计手册 S. 北京 :机械工业出版社 ， 1991. 9 2 巩娟 ， 李玉 . 新型三维微动台的设计与实验分析 J. 现代制造工程 ， 2005 (2):115 3 张晓峰 ， 林彬 . 大行程纳米级分辨率超精密工作台的发展方向 J. 南京航空航天大学学报 ， 2005. 11. 第 37 卷增刊 . 4 王三民 ， 诸文俊 . 机械原理与设计 M. 机械工业出版社 ， 5 雷 勇 ， 陈本永 ， 杨元兆 ， 张丽琼 ， 王俊茹 ， 冯 平 . 纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势 J. 浙江理工大学学报 ， 3 卷 ， 第 1 期 . 6 张晓峰 . 大行程超精密工作台关键技术研究 M天津大学 ， 2008. 6:27 谷勇霞 ， 赵杰亮 ， 阎绍泽 . 考虑谐波传动滞后的柔性空问机械臂运动精度 J. 机械工程学报 ， 2013(23):74 8 何柏岩 ， 高峰 ， 土树新 . S 计及铰链问隙的机械臂动力学建模与仿真 J. 天津大学学报 ， 2005(9) :7959 , , 2007. 10 , , , et of C of , 1991, 57(539): 2363 11 , , , et A of 991 1991: 2504 12 , . of a s J. 1999, 48(1): 289 13 , . -Y by . 1996, 45(1): 359 14 L, . a of . 2000, 24(4) : 285 12 , , J. OF of a J. 2005, 29 :237 13 C. R. J. of a 710,
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