用于微低重力模拟装置的主动补偿控制方法_权宇超.pdf
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1、用于微低重力模拟装置的主动补偿控制方法权宇超,兰 超,韩大鹏,王兆魁(福州大学机械工程及自动化学院,福州;清华大学航天航空学院,北京)摘要:针对一类微低重力模拟装置因惯性力和弹簧重力导致模拟精度受限的问题,研究采用主动补偿装置改善模拟精度的控制方法。基于势能守恒原理和第二类 方程建立了考虑弹簧重力的动力学模型,采用三阶观测器对模拟装置内的关节速度、加速度进行观测,两者结合给出了弹簧重力及系统惯性力补偿模型。以某微低重力模拟装置为应用对象,在模拟月球重力环境下的跳跃试验中验证补偿策略的有效性。试验结果表明:该补偿方法能够有效提高微低重力模拟装置运动过程中的失重模拟精度。关键词:势能守恒;动力学建
2、模;三阶观测器;主动补偿;月面跳跃模拟中图分类号:.文献标识码:文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:载人航天领域预先研究项目()第一作者:权宇超,男,硕士研究生,研究方向为机器人动力学与控制。:通讯作者:韩大鹏,男,博士,副研究员,研究方向为智能空间机器人。:,(,;,):,:;引言 嫦娥五号的采样返回标志着中国探月工程规划中“绕、落、回”中的第三步已经完成,中国探月计划将进入载人深空探索阶段。近年来,研究人员对载人探月的基础技术进行了广泛研究。载人探月活动需要对航天员进行针对性的训练,帮助其适应月面环境。目前,航天员在地面模第 卷 第 期 年 月 载 人 航 天 DOI:10.16
3、329/ki.zrht.2023.01.009拟微低重力的方法主要有悬吊法、抛物线飞行法和水浮法,其对微低重力的模拟效果均不理想。悬吊法精度较低,只有当绳索直线经过被悬吊体质心时才能完全平衡重力影响,否则无法平衡重力所产生的力矩;抛物线飞行法持续时间短,且无法模拟空间中的地形和安放空间站模型;水浮法水槽的造价昂贵,使用和维护成本高,且由于水的动态阻尼和粘滞效应,航天员在水槽中的运动特性与其在真实微低重力环境下的表现差异很大。针对上述各种方法的不足,马欧等提出了一种被动式低重力模拟系统,该系统机构重力势能及航天员重力势能与弹簧系统弹性势能可以相互转换并保持总能量守恒,实现任意位置的失重模拟,具有
4、灵活性高、成本低、安全性好且重力可调等优势;王兆魁等对以上装置进行了改进,模拟重力连续可调,调节过程简单,装置占地面积小、易部署,能够以较简单的结构达到较高的模拟精度,并对该装置关节上存在的摩擦力设计了补偿方法,弥补了摩擦力带来的微低重力模拟精度的损失。但摩擦力并不是影响该类装置微低重力模拟精度的主要因素。装置中的弹簧刚度通常难以选取到理想值,实际采用多根弹簧构成弹簧组来代替理想刚度弹簧,而一般弹簧组的总质量可达几十千克,其质心位置会随着装置末端运动而改变,从而对失重模拟精度产生较大的影响。此外,机械装置运动杆件不可避免的存在惯性,其对重力模拟过程中模拟精度的影响也远大于摩擦力。进一步讲,摩擦
5、力可通过润滑等方式进行有效抑制,但弹簧重力和惯性力的影响难以通过外部措施或被动方式消除。针对以上问题,本文采用附加力补偿策略进行主动补偿。在关节处安装补偿电机,建立外加电机后装置的动力学方程,在电机提供的角位移测量值的基础上,设计速度观测器和加速度观测器,给出一种惯性力及弹簧重力补偿模型,对惯性力和弹簧重力进行主动补偿,有效提高微低重力失重模拟精度,增强航天员微低重力模拟的沉浸感。主动补偿原理 微低重力模拟装置参数设置如图 所示,其中 个弹簧刚度分别为、;个平行四边形杆的质量分别为、,其连接件质量(包含主动补偿装置质量)为,人机接口质量为,航天员质量为;第一个平行四边形关节铰中心高度为,两平行
6、四边形上下连杆距离为,弹簧上端连接点距两平行四边形关节铰中心距离分别为、,人机接口与航天员的距离为,平行四边形杆长分别为、,杆质心与杆转动关节点距离分别为、;平行四边形关节转角分别为、,两弹簧质量分别为、。图 微低重力模拟装置参数 系统的总势能主要由机构的重力势能、航天员的重力势能 和弹簧的弹性势能 组成,取失重效果为 (航天员被补偿重力与在地球所受重力之比),可知系统总势能 如式()所示:()()()()()()()|()第 期 权宇超,等 用于微低重力模拟装置的主动补偿控制方法 为保证系统的总势能不随航天员的运动状态而改变,需满足条件 (,),基于此可解出弹簧刚度的选择条件如式()所示:(
7、)()|()式中,为地球重力加速度。通过式()可知,当模拟装置参数和航天员质量确定后,通过选定合理的弹簧刚度,可使系统的总势能独立于构型变量、,即在任意构型下均能满足系统的总势能守恒。但在实际操作中,弹簧一般难以选取到合适刚度,因此在初步选定弹簧刚度、后,再对、进行微调,即可实现所需的失重模拟,如式()所示。()()|()式中,、为微调后的弹簧上端的位置。主动补偿系统的配置如图 所示。个主动补偿单元安装在平行四边形的 个关节处,每个单元的组成如图 所示,主要由伺服电机、滑环、传动齿轮、减速机、编码器等组成。伺服电机带动传动齿轮输入端旋转,传动齿轮输出端连接减速机输入端,减速机输出端连接被补偿关
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