1、近年來,隨著空間科學技術的發(fā)展,空間機器人機械多體系統(tǒng)的動力學建模獲得了廣泛的研究。根據(jù)現(xiàn)實工程需要,目前空間機器人是自由度較多、結構復雜的航天裝備,以及隨著空間機器人構件的輕質、柔性化,利用空間剛性機器人的建模理論已經(jīng)不能解決柔性機器人的動力學建模問題,因而大型空間機器人系統(tǒng)的高效率動力學建模與實時仿真已成為一個新的熱點問題。由于大型在軌服務空間機器人的結構復雜性,以及機器人本體的質量隨著載荷及燃料的消耗而發(fā)生變化等因素,在地面上很難

2、實施全尺寸的動力學參數(shù)辨識試驗,這就需要開展在軌空間機器人參數(shù)辨識技術研究。因此,針對自由浮動空間機器人的動力學高效率建模、實時仿真以及參數(shù)辨識問題開展了研究工作,以期為在軌航天器實時控制獲得堅實的基礎。
　　 本文對機械多體系統(tǒng)動力學建模的數(shù)學基礎理論、描述多體系統(tǒng)體間關系的拓撲結構、旋量表示以及基本空間算子等理論進行了詳細的介紹；根據(jù)Lagrang建立多體系統(tǒng)動力學模型的理論,研究了空間機器人機械多體系統(tǒng)動力學的一般符號推導

3、過程；得到了機械多體系統(tǒng)符號動力學建模算法；利用有限元方法對柔性體的物理模型進行離散,得到了柔性體的質量矩陣和剛度矩陣,由此建立多柔體系統(tǒng)的動力學方程。
　　 在空間算子代數(shù)理論的基礎上,將根據(jù)空間算子描述的剛性多體系統(tǒng)、柔性多體系統(tǒng)推廣到一般的機械多體系統(tǒng)動力學建模應用中進行遞推計算。該機械多體系統(tǒng)既可以包含有柔體又包含有剛體,既可以是鏈式系統(tǒng)又可以是樹型多體系統(tǒng)。利用Huston理論的低序體陣列方法描述了一般多體系統(tǒng)的拓撲結

4、構,然后根據(jù)判斷相鄰兩體是剛體或者柔體,利用空間算子代數(shù)理論建立一般多體系統(tǒng)動力學模型。
　　 進一步發(fā)展了空間算子代數(shù)理論體系,采用空間算子描述了機械多體系統(tǒng)廣義動力學高效率建模問題。根據(jù)系統(tǒng)中鉸的驅動情況分別對鉸鏈定義為主動鉸和被動鉸,通過判斷鉸鏈的類型分別按照兩次從系統(tǒng)的頂端到基座的順序、一次從基座到頂端的順序進行了系統(tǒng)鉸接體慣量的遞推、系統(tǒng)冗余力的遞推和廣義加速度和廣義主動力的遞推。通過上述三種方式的遞推過程建立了在軌服

5、務空間機器人系統(tǒng)廣義遞推動力學模型,實現(xiàn)了高效率O(n)次的計算效率,.該算法可以應用于一般機械多體系統(tǒng)(包括剛性多體系統(tǒng)、柔性多體系統(tǒng)、欠驅動系統(tǒng)),求解反向動力學、正向動力學和混合動力學遞推。
　　 基于翟婉明提出的新型積分校正算法,通過將二次微分方程逐步降階成代數(shù)方程,利用違約校正逐次求解出方程的離散值。并且進一步發(fā)展了線性多步積分算法高效率的求解大型微分(微分一代數(shù))方程組。全面介紹了機械多體系統(tǒng)動力學的直接數(shù)值方法,重

6、點論述了求解微分方程和微分代數(shù)方程組的線性多步積分算法。
　　 分析并解決了利用動量守恒方法進行參數(shù)辨識過程中的線性方程組奇異性問題,并且研究了機器人的各類參數(shù)等因素對辨識研究的影響。研究了空間剛性機器人(單臂和雙臂)本體和操作臂抓取未知目標衛(wèi)星的參數(shù)辨識問題。根據(jù)機器人本體攜帶的測速敏感器測得本體質心的線速度及角速度,通過依次使不同的鉸具有初始速度的方法,基于線動量及角動量守恒即可分別對雙臂空間機器人本體和未知目標衛(wèi)星進行未知

7、參數(shù)的辨識。
　　 根據(jù)上述理論成果,完成了機械多體系統(tǒng)符號動力學軟件編制。該軟件有強大的功能模塊,運用Mathematica符號軟件開發(fā)的。軟件包括機械多體系統(tǒng)動力學建模、數(shù)值積分算法、有限元處理、可視化輸出以及控制等模塊。軟件能實現(xiàn)機械多體系統(tǒng)的動力學符號與數(shù)值仿真分析,并可以獲得系統(tǒng)的拓撲結構、約束信息以及系統(tǒng)各機械參數(shù)的描述,可以輸出如仿真運行時間、SOA算子、運動、受力等,并以表格、曲線和動畫的形式表現(xiàn)出來。