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LMS Motion在空间机械臂研制中的应用 |
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作者：北京理工大学 樊鹏 |
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摘要：本文建立了空间机械臂这个自由漂浮基座多体系统的多刚体动力学模型，并用该模型分析了舱外摄像运动支架运动过程中关节力矩和对目标飞行器位姿的影响。给出了多刚体系统建模的一般流程。
关键词：空间机械臂 多体动力学 LMS Virtual Lab Motion
1 前言
在未来的空间实验室尤其是空间站的组装与运行期间，空间机械臂的作用更加重要。太空环境具有微重力、高真空、温差大、强辐射和照明差等特点，让航天员在空间作业具有很大的危险性，而且成本也很高。因此，随着空间技术的发展和空间机器人技术的日益完善，机器人化是实现空间使命安全、可靠、低消耗的有效途径。在载人航天第二期工程（空间交会对接）中，拟在目标飞行器上设置舱外摄像运动支架，利用安装在运动支架上的摄像设备拍摄空间交会对接实况，另外还可监测目标飞行器在空间的受损情况。舱外摄像运动支架本质上是一个小型的空间机械臂，只是这个空间机械臂的末端没有安装端头效应器或者抓手，而是安装了一套摄像装置。
空间机械臂和一般的工业机械臂不同。空间机械臂处于空间微重力环境下，其基座一般处于自由漂浮状态，它的运动学和动力学存在耦合，这给空间机械臂的研制造成了很大的困难。因为我们在地面上很难模拟微重力环境，所以在空间机械臂的研制过程中，仿真就成为重要的手段。
较有影响的商用多体动力学软件有比利时的 LMS Virtual Lab Motion，美国MSC 公司的ADAMS，以及德国航空航天局的SIMPACK 等。本文选用LMS Virtual Lab Motion 作为仿真环境。
2 仿真模型的建立
舱外摄像运动支架共有六个自由度，六个都是旋转关节，其中：肩部2 个自由度，肘部1 个自由度，腕部3 个自由度。运动支架安装在目标飞行器上，运动支架在完成动作的过程中，不对目标飞行器姿态进行控制，整个多体系统处于微重力环境下，基座处于漂浮状态，属于无根多体系统。运动支架的三维模型如下图1 所示：
图 1 运动支架的三维模型
2.1 建立多体仿真模型方法概述
1. 机械系统的物理抽象。
2. 获取模型的运动学参数，建立抽象系统的运动部件、铰链，从而建立运动学模型。校验模型的自由度及正确性，为建立动力学模型做好准备。
3. 通过查取或试验获得模型的动力学参数，描述模型中部件、铰链与弹性元件及外界条件的特性，建立动力学模型。
4. 对动力学模型进行调整与仿真计算。
5. 对仿真结果进行后处理。
为了保证仿真模型的精度，一般步骤2～4 需要多次反复。
2.2 机械臂的运动学模型
按照D－H规则建立整个系统的刚体坐标系。如图2：Zi-1表示第i个关节的转轴，第0 个坐标系与第0 个刚体即基座固连。
图 2 支架D－H 坐标系
2.3 建立三维实体模型
在建立三维实体模型的时候，要根据仿真的目的，对复杂的机构进行简化。本文将运动支架的各装配构件整体简化为刚体，不考虑关节柔性、摩擦、间隙等因素。LMS Virtual Lab 是基于法国达索公司的V5应用框架，包括V5 出色的用户界面、CAE 数据处理和建模能力。LMS Virtual Lab 的三维建模功能要比其它多体软件像 ADAMS 强大。简化的三维实体模型如下图3 所示：
图 3 简化的三维实体模型
2.4 运动学模型的建立
在完成三维模型的建立后，首先对其添加约束副。LMS Virtual Lab Motion 的约束库中提供了各种常见的约束，像回转副、圆柱副、棱柱副、齿轮副等等，运动支架六个关节都是旋转关节，用六个回转副来描述其约束关系。
施加驱动 六个关节的驱动都采用 Joint driver，驱动函数选择SPLINE.CURVE 类型，所需数据存在Excel 文件中。根据运动支架所要完成的任务，进行轨迹规划，取得样条曲线所需的数据。
2.5 动力学模型的建立
定义惯性参数 惯性参数包括质量、转动惯量、质心位置等。惯性参数的准确程度，会直接影响计算结果的准确度。质量我们容易测量，但是转动惯量和质心就不方便测量，可以由机械设计人员通过CAD软件取得。惯性参数不可能一次确定，随着设计的进行，惯性参数会不断变化并逐步确定。
动力学模型是逐渐完善的过程，本文不考虑运动支架的柔性问题，只建立运动支架的多刚体模型。
2.6 仿真参数的设定
将重力加速度 Z （X Y）Gravity 设为0，因为系统处于微重力环境下。微重力环境很难在地面实现，但是在软件里可以很容易实现。
初始速度分配方法选择最小动能方法（Minimum Kinetic Energy method）。这种计算初始速度的方法使系统在初始时动能最小。运动支架这个多体系统处于自由漂浮状态，支架运动过程中会对基座（目标飞行器）的位姿产生影响，速度的分配或者说运动学与动力学耦合正是在于系统动能最小，动量守恒。
仿真步长、计算误差等采用默认设置。
4 仿真结果
舱外摄像运动支架拍摄对接过程时，只有第二，三，四关节动作，其关节角随时间变化的规律如下图4：
图 4 关节角随时间变化曲线
这里给出的是运动时间为18s 的数据，实际的为300s，因此所用这里各关节的角加速度为实际的20倍。这么作是因为实际的角速度太小，计算出的关节力矩受计算误差影响会很大。这三个关节动作过程中，实际规划的角加速度（度/平方秒）分别为：0.0107，0.0107，0.0133，是相当小的。
运动过程中，第二，三，四关节的力矩变化如下图5 所示：
图 5 关节力矩随时间变化曲线
从计算我们可以看到，第三个关节的力矩最大值为0.3Nm，其余两个都在0.1Nm 下，相当于我们伸直手臂，一只蝴蝶在站在指尖对肩部产生的力矩。实际动作过程中最大力矩值更小，为计算值的二十分之一。
支架运动过程中，对目标飞行器的姿态和位置都会有一定影响，通过计算，看到对姿态三个方向角的影响在0.012 度以下。这个数值跟目标飞行器的质量特性关系很大，因为目标飞行器的质量和体积与运动支架相比要大得多，而支架末端得负载在十公斤左右，所以，支架对目标飞行器位姿得影响不是很大。
4 结论
本文建立了空间自由漂浮基座多体系统的多刚体模型，并用该模型分析了舱外摄像运动支架运动过程中关节力矩和对目标飞行器位姿的影响。这对空间机械臂的设计有很重要的意义。仿真模型分析的数据对于机构减速比的选择，电机的选型，以及末端可携带负载的大小都是很重要的参考，并且为下一步柔性因素对多体系统的影响提供基础。
5 参考文献
[1] 徐文福，邢兴红，基于虚拟样机技术的机器人系统的建模与仿真，2004’ADAMS 软件中国地区用户年会论文集
[2] 刘艳华，后悬架MSC.ADAMS 模型的建立，2004’ADAMS 软件中国地区用户年会论文集(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/9/2011) |
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