平行多连杆样品抓取机构的动力学仿真研究论文
引言
样品抓取与转移是深空探测的主要任务之一，平行多连杆样品抓取机构是实现上述任务的执行机构，也是最为关键的复杂系统.平行多连杆样品抓取机构是在轨道交会对接任务阶段，实现追踪飞行器与目标飞行器之间的对接、保持和样品转移等任务的重要部分.在完成在轨对接之后，平行多连杆样品抓取机构将在追踪飞行器与目标飞行器构成的组合体飞行期间，按程序指令将样品从追踪飞行器转移到目标飞行器，保证样品能够进入后续的任务工作环节. 平行多连杆样品抓取机构能成功捕获抓取样品，并顺利将其转移至返回舱内，是一个复杂的动力学过程.地面验证试验很难模拟空间零重力环境，因此采用仿真技术建立虚拟数字样机研究整个样品抓取与转移过程的动力学问题成为关键和主要的手段.本文以平行多连杆样品抓取机构为研究对象，在Adams多体动力学仿真环境中建立了动力学仿真模型，详细分析了样品抓取与转移整个工作过程中的动力学特性与规律，并分析了冗余设计工况，为平行多连杆样品抓取机构的研究和设计提供了参考作用.
1工作原理
对接机构主动件安装在追踪飞行器上，被动件安装在目标飞行器上，对接机构完成后进行样品抓取与转移过程.平行多连杆抓取机构的功能要求是对样品进行捕获，然后将其转移至安装在目标飞行器内的返回舱内.主要由抓取机构、连杆机构、驱动机构、传动机构等组成.
因两套平行多连杆抓取机构呈夹角式分布，且样品采集器不规则，在转移过程中样品势必会发生翻转.为了使样品转移过程平稳安全，故在对接机构被动件部分、主动件部分、返回舱部分均设置了能为样品提供导向功能的导向槽.通过对导向槽及导向槽与样品采集器之间的间隙的优化设计，可以降低转移机构与样品之间的接触力，提高转移机构的动力学特性. 转移功能的'实现主要利用了连杆机构的行程放大特性及抓取机构的单向锁紧释放特性，通过连杆机构的反复收合，由抓取机构进行锁紧和释放工作，从而将样品采集器移动至目标位置.
2动力学建模
在平行多连杆样品抓取机构设计原理与动力学分析的基础上，采用adams软件建立了动力学模型.在该模型中，假设追踪飞行器和目标飞行器的几何中心在向坐标相同，在整个样品抓取与转移过程中，平行多连杆样品抓取机构在恒定的电机的驱动下经过四次张开收合的过程，在每套机构上的3组抓取机构与样品采集器的接触力作用下将样品采集器从追踪飞行器移动到目标飞行器内，而样品采集器与导向槽之间的接触力将保证样品采集器在运动过程中不至翻转.在目标飞行器上设计了止动锁紧装置，使得样品采集器在转移机构收合过程中不至反向运动，同时调整其姿态.整个模型中包括转动副(Revolute Joint)、平移副(RevoluteJoint)、驱动速度(motion)、样品采集器与棘爪之间的碰撞接触力(contact)、样品采集器与导向槽之间的碰撞接触力(contact)、样品采集器与止动锁紧装置之间的碰撞接触力(contact)等.
3仿真算例
3.1 正常工作
3. 1.1接触力计算值
通过计算可以求得在样品抓取与转移过程中，抓取机构与样品采集器之间的碰撞接触力随时间变化的曲线，反映了平行多连杆样品抓取机构的动力学特性，其中，后端抓取机构与样品采集器的碰撞接触力计算值.
可以看出后端抓取机构与样品采集器之间碰撞接触力最大值为64.1N样品采集器导向槽与样品采集器碰撞接触力计算最大值为61.8N追踪飞行器导向槽与样品采集器碰撞接触力计算最大值为20. 8N，目标飞行器导向槽与样品采集器碰撞接触力计算最大值为28. 2N当样品采集器被转移到目标飞行器内之后，经过一段时间，样品采集器与目标飞行器之间的碰撞接触力趋于平衡.
3. 2冗余设计分析
3. 2. 1样品采集器位置与姿态偏移
经仿真计算，当只有一套平行多连杆样品抓取机构正常工作时，也能顺利完成样品转移任务.在这种工况下，姿态偏移量，经过转移过程，样品采集器的位移与姿态都发生了变化，其中，样品采集器X方向位置偏移为-1mm;Y方向位移为-565.8 mm ; Z方向位置偏移量计算值为-0. 005 mm ; X方向转角为2. 09度，Y方向转角为-1.08度，Z方向转角为0度.
3.2.2接触力计算值
通过计算可以求得在样品转移过程中，后端抓取机构与样品采集器之间的碰撞接触力以及样品采集器与导向槽之间的碰撞接触力随时间变化的曲线，反映了平行多连杆样品抓取机构的动力学，其中，后端抓取机构与样品采集器的碰撞接触力计算值.
从图中可以看出，正常工作的后端抓取机构与样品采集器之间的碰撞接触力有尖峰值出现，最大值为2006.8 N ;样品采集器导向槽与样品采集器碰撞接触力较小，追踪飞行器导向槽与样品采集器碰撞接触力有尖峰值出现，最大值1102. 7N，目标飞行器导向槽与样品采集器碰撞接触力也有尖峰值出现，最大值为4342.5 N.当样品采集器被转移到目标飞行器内之后，经过一段时间，样品采集器与目标飞行器之间的碰撞接触力趋于平衡，且平衡值为0.
由此可以看出，当平行多连杆样品抓取机构正常工作时，后端抓取机构与样品采集器之间的碰撞接触力、追踪飞行器导向槽与样品采集器碰撞接触力以及目标飞行器导向槽与样品采集器碰撞接触力均有较大的尖峰值出现，但样品采集器位置与姿态偏移量并不明显，因此，在材料刚度强度足够的情况下，单套平行多连杆样品抓取机构也能正常完成样品转移任务.
4结论
本文采用adams软件建立了平行多连杆样品抓取机构的动力学模型，详细分析了整个样品抓取与转移工作的动力学过程，通过计算得到了经过样品转移过程之后，样品采集器的位置和姿态的偏移情况，以及抓取机构与样品采集器碰撞接触力和样品采集器与导向槽之间的碰撞接触力，同时对冗余设计进行了分析，对空间飞行器平行多连杆样品抓取机构的设计起到了分析指导作用.
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