平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真研究

李東穎 張華 劉漢武

(1．上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點實驗室，上海 2 01109)(2．上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 2 01108)

平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真研究

李東穎1，2?張華1，2劉漢武1，2

(1．上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點實驗室，上海 2 01109)(2．上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 2 01108)

樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程是深空探測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及必須的技術(shù)手段．本文研究了平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)捕獲樣品采集器并將其轉(zhuǎn)移到指定位置的動力學(xué)過程，建立了動力學(xué)方程，并通過adams軟件建立了計算模型，對整個動力學(xué)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對后續(xù)工作的研究和設(shè)計提供了支撐．

平行多連桿， 樣品抓取， 動力學(xué)， 研究

引言

樣品抓取與轉(zhuǎn)移是深空探測的主要任務(wù)之一，平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)是實現(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)是在軌道交會對接任務(wù)階段，實現(xiàn)追蹤飛行器與目標(biāo)飛行器之間的對接、保持和樣品轉(zhuǎn)移等任務(wù)的重要部分．在完成在軌對接之后，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)，是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程［1］．地面驗證試驗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)研究整個樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程的動力學(xué)問題［2］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)為研究對象，在Adams多體動力學(xué)仿真環(huán)境中建立了動力學(xué)仿真模型，詳細(xì)分析了樣品抓取與轉(zhuǎn)移整個工作過程中的動力學(xué)特性與規(guī)律，并分析了冗余設(shè)計工況，為平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計提供了參考作用．

1 工作原理

對接機(jī)構(gòu)主動件安裝在追蹤飛行器上，被動件安裝在目標(biāo)飛行器上，對接機(jī)構(gòu)完成后進(jìn)行樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程．平行多連桿抓取機(jī)構(gòu)的功能要求是對樣品進(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)．平行多連桿抓取機(jī)構(gòu)的原理圖如圖1所示，主要由抓取機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)等組成．

圖1 平行多連桿抓取機(jī)構(gòu)Fig．1 connecting rod mechanic

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)移過程中樣品勢必會發(fā)生翻轉(zhuǎn)．為了使樣品轉(zhuǎn)移過程平穩(wěn)安全，故在對接機(jī)構(gòu)被動件部分、主動件部分、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．通過對導(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，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)的動力學(xué)特性．

轉(zhuǎn)移功能的實現(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至目標(biāo)位置．

2 動力學(xué)建模

在平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計原理與動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，采用adams軟件建立了動力學(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X，Z向坐標(biāo)相同，在整個樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程中，平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)在恒定的電機(jī)的驅(qū)動下經(jīng)過四次張開收合的過程，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動過程中不至翻轉(zhuǎn)．在目標(biāo)飛行器上設(shè)計了止動鎖緊裝置，使得樣品采集器在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)收合過程中不至反向運動，同時調(diào)整其姿態(tài)．整個模型中包括轉(zhuǎn)動副(Revolute Joint)、平移副(Revolute Joint)、驅(qū)動速度(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)、樣品采集器與止動鎖緊裝置之間的碰撞接觸力(contact)等．

在碰撞過程中，對能量損失的計算非常重要，因此，需計算兩接觸面間的相對速度，將撞入深度δ投影到接觸面上，可以得到接觸點處得法向速度和切向速度分別為［3］:vn=δn，vt=δt，其中 δ是碰撞速度，且n·t=0．

為了計算接觸力，需建立一個能表示碰撞速度、兩碰撞太的材料特性、接觸式的表面特征的分析模型．只有當(dāng)模型處于連續(xù)接觸力狀態(tài)時，變形和接觸力才可以看作是在連續(xù)的過程中進(jìn)行的，因此建立分析模型的前提是假設(shè)存在連續(xù)的接觸力．在此假設(shè)情況下，運用彈簧阻尼模型［4］，模型中，彈簧表示兩接觸體的彈性，阻尼器表示碰撞過程中能量的消耗．接觸力以來與彈簧的剛性和阻尼特征，可表示為:

式中:Fk為彈性力;Fd為能量損耗;K為剛度因子;D為阻尼系數(shù)．由于是金屬接觸，力指數(shù)n通常取之為1．5［5］．剛度因子K取決于接觸面的幾何特征核物理特征，可表示為:

式中:σ1、σ2為材料參數(shù)．阻尼系數(shù)可設(shè)為Fn=ηδn［6］，其中 η 是阻尼因子，與碰撞時接觸提動能的損耗與內(nèi)部阻尼對系統(tǒng)內(nèi)部能量的損耗有關(guān)．考慮碰撞前后的動能，能量損耗ΔE可以表示為:

式中:e為恢復(fù)系數(shù)，m為質(zhì)量系數(shù)，為碰撞前的相對速度．能量損耗也可以通過對有阻尼時的接觸力的積分求出，假設(shè)在壓縮和恢復(fù)階段阻尼力的變形特征相同，則有［7］:

聯(lián)立(3)式和(4)式，可得:

在連續(xù)接觸模型中，由于存在內(nèi)部阻尼，將式(5)代入式(1)，通過計算就可以得到接觸力計算公式為:

在建模過程中，通過選擇合理的接觸力參數(shù)，降低碰撞接觸力，提升轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性．

3 仿真算例

3．1 正常工作

3．1．1 樣品采集器位置與姿態(tài)偏移

經(jīng)仿真計算，樣品采集器的位置偏移量(沿如圖2所示坐標(biāo)系)如圖2～4所示，姿態(tài)偏移量如圖5～7所示．從圖中可以看出，經(jīng)過轉(zhuǎn)移過程，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－0．53mm;Y方向位移為－585．3mm;Z方向位置偏移為0．47mm;X方向轉(zhuǎn)角為1．51度，Y方向轉(zhuǎn)角為2．48度，Z方向轉(zhuǎn)角為0．13 度．

圖2 樣品采集器X向位置偏移圖Fig．2 displacement x of the sample container

圖3 樣品采集器Y向位置偏移圖Fig．3 displacement y of the sample container

圖4 樣品采集器Z向位置偏移圖Fig．4 displacement z of the sample container

圖5 樣品采集器繞x軸轉(zhuǎn)角Fig．5 rotation about x axis of the sample container

圖6 樣品采集器繞y軸轉(zhuǎn)角Fig．6 rotation about y axis of the sample container

圖7 樣品采集器繞z軸轉(zhuǎn)角Fig．7 rotation about z axis of the sample container

3．1．2 接觸力計算值

通過計算可以求得在樣品抓取與轉(zhuǎn)移過程中，抓取機(jī)構(gòu)與樣品采集器之間的碰撞接觸力隨時間變化的曲線，反映了平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動力學(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算值如圖8所示，導(dǎo)向槽與樣品采集器的碰撞接觸力計算值如圖9所示．

從圖中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)過一段時間，樣品采集器與目標(biāo)飛行器之間的碰撞接觸力趨于平衡．

圖8 后端抓取機(jī)構(gòu)碰撞接觸力計算值Fig．8 contact force of the backer capture mechanic

圖9 導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力計算值ig．9 contact force of the oriented and the sample container

3．2 冗余設(shè)計分析

3．2．1 樣品采集器位置與姿態(tài)偏移

經(jīng)仿真計算，當(dāng)只有一套平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)正常工作時，也能順利完成樣品轉(zhuǎn)移任務(wù)．在這種工況下，樣品采集器的位置偏移量如圖10～12所示，姿態(tài)偏移量如圖13～15所示．從圖中可以看出，經(jīng)過轉(zhuǎn)移過程，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－565．8mm;Z方向位置偏移量計算值為－0．005mm;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．

圖10 樣品采集器X向位置偏移圖Fig．10 displacement x of the sample container

圖11 樣品采集器Y向位置偏移圖Fig．11 displacement y of the sample container

圖12 樣品采集器Z向位置偏移圖Fig．12 displacement z of the sample container

圖13 樣品采集器繞x軸轉(zhuǎn)角Fig．13 rotation about x axis of the sample container

圖14 樣品采集器繞y軸轉(zhuǎn)角Fig．14 rotation about y axis of the sample container

圖15 樣品采集器繞z軸轉(zhuǎn)角Fig．15 rotation about z axis of the sample container

3．2．2 接觸力計算值

通過計算可以求得在樣品轉(zhuǎn)移過程中，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間變化的曲線，反映了平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的動力學(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算值如圖16所示，導(dǎo)向槽與樣品采集器的碰撞接觸力計算值如圖17所示．

圖16 后端抓取機(jī)構(gòu)碰撞接觸力計算值Fig．16 contact force of the backer capture mechanic

圖17 導(dǎo)向槽與樣品采集器碰撞接觸力計算值．17 contact force of the oriented and the sample container

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2006．8N;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4342．5N．當(dāng)樣品采集器被轉(zhuǎn)移到目標(biāo)飛行器內(nèi)之后，經(jīng)過一段時間，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，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)的動力學(xué)模型，詳細(xì)分析了整個樣品抓取與轉(zhuǎn)移工作的動力學(xué)過程，通過計算得到了經(jīng)過樣品轉(zhuǎn)移過程之后，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，同時對冗余設(shè)計進(jìn)行了分析，對空間飛行器平行多連桿樣品抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計起到了分析指導(dǎo)作用．

1 洪嘉振．計算多體系統(tǒng)動力學(xué)．北京:高等教育出版社，1999(Hong J Z．Computational multi－body dynamics．Beijing:Frontiers in China，1999(in Chinese))

2 林來興．航天器空間交會對接的仿真技術(shù)和仿真實驗方法．載人航天，1997(2)28～37(Lin L X．Simulation and experimental methods of spacecraft rendezvous and docking．Manned Space Flight，1997(2):28 ～ 37(in Chinese))

3 Zhao Y，Bai Z F．Dynamics analysis of space robot manipulator with joint clearance．Acta Astronautica，2010，68:1147～1155

4 Shivaswamy S．Modeling contact forces and energy dissipation during impact in multibody mechanical systems．Wichita:Wichita State University，1997

5 Schwab A L，Meijaard J P，Meijers P．A comparison of revolute joint clearance models in the dynamic analysis of rigid and elastic mechanical systems．Mechanism and Machine Theory，2002，37(9):895 ～913

6 Lankarani H M，Nikravesh P E．A contact force model with hysteresis damping for impact analysis of multibody systems．Journal of Mechanical Design，1990，112:369 ～376

7 Flores P，Ambrosio J A．Study on dynamics of mechanical systems including joints with clearance and lubrication．Mechanism and Machine Theory，2006，41:247～261

? Corresponding author E－mail:Lidongying917@163．com

DYNAMIC SIMULATION ABOUT THE PARALLEL MULTI CONNECTING ROD SAMPLE CAPTURING MECHANIC

Li Dongying1，2?Zhang Hua1，2Liu Hanwu1，2
(1．Shanghai Key Laboratory of Spacecraft Mechanism，Shanghai201109，China)(2．Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai201109，China)

The automatic transfer task of the sample container is a key link and a kind of necessary technique means of deep space exploration．This paper studied the dynamic process of the parallel multi connecting rod mechanic capturing the sample container and displacing it to the appointed position．The dynamic equation was established，the calculating model was set up by adams，and the whole dynamic process was discussed，which can help the following work of researching and designing．

parallel multi connecting rod， sample capturing， dynamic， calculating， researching

25 May 2014，

20 June 2014．

10．6052/1672－6553－2014－050

2014－05－25 收到第 1 稿，2014－06－20 收到修改稿．

E－mail:Lidongying917@163．com