弱碰撞半物理仿真系統(tǒng)的機構設計與實驗.pdf

1、弱碰撞半物理仿真(或稱半實物模擬)系統(tǒng)是空間試驗關鍵技術之一，也是我國探月工程的必要試驗裝置，其工作核心由運動模擬器組成。為了真實地模擬空間中的碰撞運動，運動模擬器需要具有高剛度、大承載、高精度、高動態(tài)響應等特性，而弱碰撞對接的特殊性又對高頻響、工作空間、各向同性有更為嚴格的要求。目前的運動模擬器在動態(tài)響應、工作空間及各向同性等方面都無法滿足弱碰撞測試的需求。針對現有技術的不足，本文設計了一種全新的高性能運動模擬器，進行了從機構構型、尺

2、度設計、結構設計直至驅動系統(tǒng)設計的一體化全面設計，并在制造裝配完成后對系統(tǒng)的精度進行了標定，具體內容如下：
　?。?）提出了一種雙運動模擬器協作的九軸聯動系統(tǒng)。通過對試驗需求的分析，提出了一種創(chuàng)新的六自由度3-3正交并聯機構，該機構與當前廣泛采用的Stewart機構相比，需求工作空間/可達工作空間的占比很高，具有更好的動態(tài)響應特性及優(yōu)良的各向同性，在工作空間內不易發(fā)生奇異，同時還具有高剛度、大承載、高精度等特點；為模擬系統(tǒng)進行了運

3、動學建模、控制方案設計、以及虛擬現實系統(tǒng)搭建。
　?。?）基于本文發(fā)現的一種關鍵點特性進行了機構尺度設計。提出了一種直觀且全面的工作空間描述方法；發(fā)現并證明了運動模擬器的一類關鍵點特性；利用這種關鍵點特性提出了一種基于工作空間需求的機構尺度設計方法，其結果準確、計算量小；之后對運動模擬器的干涉和條件數進行了分析。
　?。?）基于動態(tài)響應進行了尺度優(yōu)化設計。建立了系統(tǒng)的等效慣性和剛度參數模型，以及機構尺度對系統(tǒng)的剛度、固有頻率

4、的影響關系模型；利用此模型并結合關鍵點和優(yōu)化算法對機構尺度進行了優(yōu)化設計；最終完成了運動模擬器的結構設計。
　?。?）以提升動態(tài)響應為目標進行了驅動與傳動系統(tǒng)設計。建立了運動模擬器的動力學模型和機電一體化數字樣機；分析了驅動、傳動系統(tǒng)與驅動能力需求之間的關系，并對驅動傳動系統(tǒng)進行了綜合設計；最后通過實驗對模擬器的綜合性能進行了考核。
　?。?）全面分析了系統(tǒng)運動精度的影響因素，建立了機構運動學參數誤差對輸出精度的影響關系模型