平行多連桿樣品抓取機構的動力學仿真研究論文
引言
樣品抓取與轉移是深空探測的主要任務之一，平行多連桿樣品抓取機構是實現上述任務的執行機構，也是最為關鍵的復雜系統.平行多連桿樣品抓取機構是在軌道交會對接任務階段，實現追蹤飛行器與目標飛行器之間的對接、保持和樣品轉移等任務的重要部分.在完成在軌對接之后，平行多連桿樣品抓取機構將在追蹤飛行器與目標飛行器構成的組合體飛行期間，按程序指令將樣品從追蹤飛行器轉移到目標飛行器，保證樣品能夠進入后續的任務工作環節. 平行多連桿樣品抓取機構能成功捕獲抓取樣品，并順利將其轉移至返回艙內，是一個復雜的動力學過程.地面驗證試驗很難模擬空間零重力環境，因此采用仿真技術建立虛擬數字樣機研究整個樣品抓取與轉移過程的動力學問題成為關鍵和主要的手段.本文以平行多連桿樣品抓取機構為研究對象，在Adams多體動力學仿真環境中建立了動力學仿真模型，詳細分析了樣品抓取與轉移整個工作過程中的動力學特性與規律，并分析了冗余設計工況，為平行多連桿樣品抓取機構的研究和設計提供了參考作用.
1工作原理
對接機構主動件安裝在追蹤飛行器上，被動件安裝在目標飛行器上，對接機構完成后進行樣品抓取與轉移過程.平行多連桿抓取機構的功能要求是對樣品進行捕獲，然后將其轉移至安裝在目標飛行器內的返回艙內.主要由抓取機構、連桿機構、驅動機構、傳動機構等組成.
因兩套平行多連桿抓取機構呈夾角式分布，且樣品采集器不規則，在轉移過程中樣品勢必會發生翻轉.為了使樣品轉移過程平穩安全，故在對接機構被動件部分、主動件部分、返回艙部分均設置了能為樣品提供導向功能的導向槽.通過對導向槽及導向槽與樣品采集器之間的間隙的優化設計，可以降低轉移機構與樣品之間的接觸力，提高轉移機構的動力學特性. 轉移功能的'實現主要利用了連桿機構的行程放大特性及抓取機構的單向鎖緊釋放特性，通過連桿機構的反復收合，由抓取機構進行鎖緊和釋放工作，從而將樣品采集器移動至目標位置.
2動力學建模
在平行多連桿樣品抓取機構設計原理與動力學分析的基礎上，采用adams軟件建立了動力學模型.在該模型中，假設追蹤飛行器和目標飛行器的幾何中心在向坐標相同，在整個樣品抓取與轉移過程中，平行多連桿樣品抓取機構在恒定的電機的驅動下經過四次張開收合的過程，在每套機構上的3組抓取機構與樣品采集器的接觸力作用下將樣品采集器從追蹤飛行器移動到目標飛行器內，而樣品采集器與導向槽之間的接觸力將保證樣品采集器在運動過程中不至翻轉.在目標飛行器上設計了止動鎖緊裝置，使得樣品采集器在轉移機構收合過程中不至反向運動，同時調整其姿態.整個模型中包括轉動副(Revolute Joint)、平移副(RevoluteJoint)、驅動速度(motion)、樣品采集器與棘爪之間的碰撞接觸力(contact)、樣品采集器與導向槽之間的碰撞接觸力(contact)、樣品采集器與止動鎖緊裝置之間的碰撞接觸力(contact)等.
3仿真算例
3.1 正常工作
3. 1.1接觸力計算值
通過計算可以求得在樣品抓取與轉移過程中，抓取機構與樣品采集器之間的碰撞接觸力隨時間變化的曲線，反映了平行多連桿樣品抓取機構的動力學特性，其中，后端抓取機構與樣品采集器的碰撞接觸力計算值.
可以看出后端抓取機構與樣品采集器之間碰撞接觸力最大值為64.1N樣品采集器導向槽與樣品采集器碰撞接觸力計算最大值為61.8N追蹤飛行器導向槽與樣品采集器碰撞接觸力計算最大值為20. 8N，目標飛行器導向槽與樣品采集器碰撞接觸力計算最大值為28. 2N當樣品采集器被轉移到目標飛行器內之后，經過一段時間，樣品采集器與目標飛行器之間的碰撞接觸力趨于平衡.
3. 2冗余設計分析
3. 2. 1樣品采集器位置與姿態偏移
經仿真計算，當只有一套平行多連桿樣品抓取機構正常工作時，也能順利完成樣品轉移任務.在這種工況下，姿態偏移量，經過轉移過程，樣品采集器的位移與姿態都發生了變化，其中，樣品采集器X方向位置偏移為-1mm;Y方向位移為-565.8 mm ; Z方向位置偏移量計算值為-0. 005 mm ; X方向轉角為2. 09度，Y方向轉角為-1.08度，Z方向轉角為0度.
3.2.2接觸力計算值
通過計算可以求得在樣品轉移過程中，后端抓取機構與樣品采集器之間的碰撞接觸力以及樣品采集器與導向槽之間的碰撞接觸力隨時間變化的曲線，反映了平行多連桿樣品抓取機構的動力學，其中，后端抓取機構與樣品采集器的碰撞接觸力計算值.
從圖中可以看出，正常工作的后端抓取機構與樣品采集器之間的碰撞接觸力有尖峰值出現，最大值為2006.8 N ;樣品采集器導向槽與樣品采集器碰撞接觸力較小，追蹤飛行器導向槽與樣品采集器碰撞接觸力有尖峰值出現，最大值1102. 7N，目標飛行器導向槽與樣品采集器碰撞接觸力也有尖峰值出現，最大值為4342.5 N.當樣品采集器被轉移到目標飛行器內之后，經過一段時間，樣品采集器與目標飛行器之間的碰撞接觸力趨于平衡，且平衡值為0.
由此可以看出，當平行多連桿樣品抓取機構正常工作時，后端抓取機構與樣品采集器之間的碰撞接觸力、追蹤飛行器導向槽與樣品采集器碰撞接觸力以及目標飛行器導向槽與樣品采集器碰撞接觸力均有較大的尖峰值出現，但樣品采集器位置與姿態偏移量并不明顯，因此，在材料剛度強度足夠的情況下，單套平行多連桿樣品抓取機構也能正常完成樣品轉移任務.
4結論
本文采用adams軟件建立了平行多連桿樣品抓取機構的動力學模型，詳細分析了整個樣品抓取與轉移工作的動力學過程，通過計算得到了經過樣品轉移過程之后，樣品采集器的位置和姿態的偏移情況，以及抓取機構與樣品采集器碰撞接觸力和樣品采集器與導向槽之間的碰撞接觸力，同時對冗余設計進行了分析，對空間飛行器平行多連桿樣品抓取機構的設計起到了分析指導作用.
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