空间柔性机械臂抓捕非合作目标的接触碰撞动力学研究

It is an important technology of on-orbit servicing to capture the non-cooperative target with the space flexible manipulator. Because of the impact between the non-cooperative target and the end-effector, the collision force causes the large deformation of the flexible link. Therefore, an accurate and efficient dynamic model is the basis of the capture control scheme and the improvement of the success rate. At present, based on the floating coordinate frame method, modal coordinates are widely used to describe the deformation of the flexible manipulator, and the contact impact model is established based on the spring damper model. However, this method cannot describe the large deformation of the manipulator, and it’s not efficient to deal with multi-point contact impact problem. The project will carry out a research on contact impact dynamics of large deformation flexible manipulator for the task of capturing a non-cooperative target. The key issues to be resolved of the project include the following aspects. (1) In the modeling phase, the modification of the virtual power of elastic forces will be presented to truncate the high-frequency components. This operation can solve the problem that the modeling method for the large deformation flexible multibody system cannot use the modal analysis technology to achieve the model order reduction. (2) The complementary model is established for the multi-point contact impact between the non-cooperative target and the end-effector. Using the short time average gap instead of the instantaneous gap, the unified mathematical model is given to describe the whole contact impact process. (3) The offline simulation calculation is carried out, which provides references for the feasibility assessment of capturing the non-cooperative target and the design of the capture control plan.

空间柔性机械臂抓捕非合作目标是在轨服务的一项重要技术。抓捕时非合作目标与抓捕手爪发生接触碰撞，冲击力导致柔性臂杆产生大变形。因此，建立精确高效的抓捕动力学模型是制定抓捕控制方案和提高抓捕成功率的基础。目前，普遍基于浮动坐标法采用模态坐标描述机械臂变形，同时，基于弹簧阻尼器模型建立接触碰撞模型。但是，该方法无法描述机械臂大变形，并且在处理多点接触碰撞时效率不高。本项目针对机械臂抓捕非合作目标任务，开展大变形柔性机械臂的接触碰撞动力学研究，拟解决以下关键问题：(1) 在建模阶段对弹性力虚功率进行改造，实现高频截断，解决大变形柔性多体系统建模方法无法利用模态技术进行模型降阶的难题；(2) 基于互补方法建立目标和手爪的多点接触碰撞模型，采用短时间内的平均缝隙代替瞬时缝隙，实现统一的数学模型描述接触碰撞全过程；(3) 开展线下仿真计算，为机械臂抓捕非合作目标的可行性评估和制定抓捕控制方案提供参考。

空间站附近可能存在不可控的空间碎片，这些非合作目标可以通过空间机械臂配合多指灵巧手实施抓捕和操作。由于空间环境的特殊性，抓捕任务常常面临细长机械臂发生大变形、运动目标难以抓捕以及抓捕后无法操作等问题。本项目针对非合作目标抓捕任务，开展了大变形柔性机械臂的接触碰撞动力学研究和抓捕灵巧手的设计研究，具体做了如下研究工作：(1) 建立了高效简洁的柔性机械臂大变形动力学模型。首先，基于共旋坐标法，建立了三维柔性梁的运动学描述，得到了总体位移和局部位移的关系；然后，推导了单元弹性力和切线刚度阵；最后，采用离散质量计算连续梁单元的惯性力，避免了数值积分，大幅提高了动力学模型的计算效率，数值算例验证了所提方法的高效性。(2) 建立了柔性多体系统摩擦接触碰撞的互补模型，提出了光滑化方法求解接触碰撞问题。首先，将柔性多体系统模型降噪的思想引入柔体间动态接触力的建模与计算中，建立了平均化缝隙与接触力之间的标准线性互补方程；然后，将线性互补方程改造为一组非线性代数方程，通过非线性迭代直接求解接触力。数值算例表明，采用该方法不需在接触状态发生改变时切换模型，并且严格满足互补关系，保证了接触力的非负性，实现了采用统一数学模型描述接触碰撞的全过程。(3) 初步设计了用于空间目标抓捕的腱绳欠驱动多指灵巧手。首先，所设计的灵巧手拇指采用全驱动，四指采用中指节和远指节耦合驱动；其次，利用远距离腱绳传导对欠驱动灵巧手初始位置进行调节，可实现两指捏取、三指捏取、侧向捏取和抓握等手势。该设计提高了灵巧手抓取不同尺寸、形状物体的稳定性，保证抓取物体时具有自动适应物体形状、尺寸的抓取效果。本项目的研究可以为未来空间站运维时小型目标的抓取、操作提供支撑。

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