平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真研究論文

　　引言

　　樣品抓取與轉(zhuǎn)移是深空探測(cè)的主要任務(wù)之一，平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)是實(shí)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(huì)對(duì)接任務(wù)階段，實(shí)現(xiàn)追蹤飛行器與目標(biāo)飛行器之間的對(duì)接、保持和樣品轉(zhuǎn)移等任務(wù)的重要部分.在完成在軌對(duì)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(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.地面驗(yàn)證試驗(yàn)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(gè)樣品抓取與轉(zhuǎn)移過(guò)程的動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(duì)象，在Adams多體動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境中建立了動(dòng)力學(xué)仿真模型，詳細(xì)分析了樣品抓取與轉(zhuǎn)移整個(gè)工作過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性與規(guī)律，并分析了冗余設(shè)計(jì)工況，為平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)提供了參考作用.

　　1工作原理

　　對(duì)接機(jī)構(gòu)主動(dòng)件安裝在追蹤飛行器上，被動(dòng)件安裝在目標(biāo)飛行器上，對(duì)接機(jī)構(gòu)完成后進(jìn)行樣品抓取與轉(zhuǎn)移過(guò)程.平行多連桿抓取機(jī)構(gòu)的功能要求是對(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)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(guò)程中樣品勢(shì)必會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn).為了使樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程平穩(wěn)安全，故在對(duì)接機(jī)構(gòu)被動(dòng)件部分、主動(dòng)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(guò)對(duì)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(jì)，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(dòng)力學(xué)特性. 轉(zhuǎn)移功能的'實(shí)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(guò)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(dòng)至目標(biāo)位置.

　　2動(dòng)力學(xué)建模

　　在平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，采用adams軟件建立了動(dòng)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(gè)樣品抓取與轉(zhuǎn)移過(guò)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(dòng)下經(jīng)過(guò)四次張開收合的過(guò)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(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中不至翻轉(zhuǎn).在目標(biāo)飛行器上設(shè)計(jì)了止動(dòng)鎖緊裝置，使得樣品采集器在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)收合過(guò)程中不至反向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)調(diào)整其姿態(tài).整個(gè)模型中包括轉(zhuǎn)動(dòng)副(Revolute Joint)、平移副(RevoluteJoint)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)算值

　　通過(guò)計(jì)算可以求得在樣品抓取與轉(zhuǎn)移過(guò)程中，抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器之間的碰撞接觸力隨時(shí)間變化的曲線，反映了平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(guò)一段時(shí)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(jì)分析

　　3. 2. 1樣品采集器位置與姿態(tài)偏移

　　經(jīng)仿真計(jì)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(shí)，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(guò)轉(zhuǎn)移過(guò)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(jì)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(jì)算值

　　通過(guò)計(jì)算可以求得在樣品轉(zhuǎn)移過(guò)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(shí)間變化的曲線，反映了平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(jì)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(guò)一段時(shí)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(shí)，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(dòng)力學(xué)模型，詳細(xì)分析了整個(gè)樣品抓取與轉(zhuǎn)移工作的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，通過(guò)計(jì)算得到了經(jīng)過(guò)樣品轉(zhuǎn)移過(guò)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(shí)對(duì)冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)空間飛行器平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)起到了分析指導(dǎo)作用.

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