圈套式空间抓取装置抓取策略及动力学研究

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大型空间机械臂是空间站的重要组成部分，用于执行舱段抓取，停泊，转移，装配以及舱外平台设备维护与维修任务、舱外状态监视与检查等空间站建设与维护任务 。其末端执行器用于抓娶操作大型空间目标，设计工作-直面临两大难点：(I)机械臂末端对于抓取目标的位置精度要求高，增J，T整个机械臂系统的控制难度；(2)由于目标-般为大型航天器，抓取过程中产生冲击较大，不利于机械臂的在轨寿命。

圈套式空间抓取装置具有大容差、低冲击、连接刚性高的优点，适合作为大型空间机械臂的末端执行器，在SSMRS、JEMRMS等大型空间机械臂上都有成功的应用醐。给出了圈套式空间抓取装置的抓取原理，研究了圈套式抓取装置的抓取策略，并对其柔性捕获过程进行了动力学建模和仿真。圈套式空间抓取装置的研究对我国载 人航天的发展，尤其是空间站的建设具有十分重要的意义。

2圈套式空间抓取装置工作原理及抓取策略圈套式空间抓取装置结构原理，如图1(a)所示。抓取装置采用内、外筒结构，圈套式柔性捕获机构主要由三根钢丝绳构成，用于实现大容差、低冲击的柔性捕获；内筒由滚珠丝杠驱动可沿外筒轴向运动，对抓取目标进行拖动；导向键槽和对位齿用于消除周向位置偏差，保证抓润装置与抓取目标相对位置准确；锁紧机构完成刚性连接。

在抓取目标上安装有与抓取装置匹配的抓持器，其结构原理图，如图 1(b)所示。捕获轴用于被钢丝绳组成的捕获机构捕获，轴顶点可被钢丝绳牵引；导向键、对位齿以及锁紧机构接口与抓取装置上的相应结构匹配。

大型空间机械臂的抓取目标通常为大型舱段，对位精度要求高，产生冲击大；机械臂在成功实施抓润还要对目标进行转移、装配等操作，要求抓取装置与目标间完成固定位姿的高刚性连接。为满足大型空间机械臂以上抓取特点，采用柔性捕获-刚性锁紧”的刚柔混合抓取策略：由三根钢丝绳组成的圈套式捕获机构可以实现大容差、低冲击的柔性捕获，降低了机械臂末端与抓取目标间的位置精度要求得同时减小了冲击；导向键与对位齿实现精确定位后通过锁紧机构锁紧，完成了固定位姿的高刚性抓取，确保机械臂对抓取目标的转移，装配等后续操作。

来稿日期：2012-03-16作者简介：李 龙，(1981-)，男，黑龙江，博士生，主要研究方向为空间抓燃术；邓宗全，(1956)，男(满族)，黑龙江，博士生导师，主要研究方向为空间宇航机构、机器人技术106 机械设计与制造No.1Jan.2013式中：[嘉 -向量；o，c：f抓取坐标系中的叉乘阵：Z0 -lzC0，oI，c -X0Yc"YoTXOr0由角动量方程可得：f·∞ 口×(，·∞)M (6)式中：n广-目标舱相对于抓取装置的角速度；nr-.叫在目标坐标系中的导数；-目标舱相对于其质心的惯性张量。

设∞在目标坐标系中的分量列阵为：tor( ，toy，tos，)各分量与欧拉角的关系如下：I tox， sin0 ，：良。 i 。

to： -0sin###bcos6cos0(7)l -lr)to/o；M， ，(，- ，tox，toz， ， (8)， ，(，- ，tox， ，Jl ，4数值仿真及结果假设目标舱质量为5000kg，可近似为高8m半径2m的圆柱体，捕获轴长度为0.25m且与 轴重合，钢丝绳套初始半径0.2m∩得参数如下：f3l66·66 o 0 ][Ⅱl 0 31666.66 0 l(kgm2)0 0 1000 Jro，日 (2.25 0 o) (m)给出-组初始条件如下： (o)(0.08 0.05 0.03)(m) 0咖(O)(12 10 2)(degree)c点移动速度为0.4m/s，其余初始条件为0。

在MATLAB中对动力学模型进行数值仿真，得到目标舱在捕获过程中的位姿变化情况，结果如图6所示。

吕趟时间(s)(b)图6目标舱捕获过程中位姿变化情况Fig.6 Pose Changes in Capture Process5结论(1)给出了圈套式空间抓取装置的结构特点、抓取原理及柔性捕获-刚性连接”的抓取策略。

(2)建立了圈套式空间抓取装置捕获阶段的动力学模型，并对模型在MATLAB中进行了数值仿真。该模型可用于分析捕获过程中目标舱位姿变化以及捕获机构参数设计等。

(3)T-步将研究考虑机械臂柔性以及 目标舱带有太阳翼等柔性附件情况下抓取的动力学过程，为大型空间机械臂在轨抓取提供理论支持。