题目：空间机械臂动力学仿真

近年来，随着空间探索的不断发展，空间在轨操作任务正变得越来越复杂。对于空间站的组建及维护、卫星的捕捉维修等在轨操作中，空间机械臂的使用变得十分重要。由于机械臂质量轻，刚度小，空间机械臂在操作过程中的变形和振动不可避免，在操作过程中的控制精度必将收到影响。因此，开展空间柔性机械臂动力学建模仿真有着十分重要的理论意义和实用价值。本文开展了针对空间柔性机械的动力学建模研究和编程工作，特点如下： 1．建立了空间柔性机械臂动力学的通用模型。模型采用浮动坐标法描述空间机械臂的运动，推导了由任意N根臂杆组成的柔性机械臂的递推关系。利用牛顿-欧拉法和微单元分析法分别获得了机械臂大范围运动和小变形振动的动力学方程。采用假设模态法把偏微分方程转化为微分方程。位移、速度和力水平的控制驱动采用约束的加载和卸载形式得以实现。模型考虑了臂杆的柔性、铰链的柔性以及臂杆柔性转动等因素对机械臂动力学过程的影响。最终获得了描述机械臂动力学的一组微分代数方程。 2．设计了臂杆模态信息的接口。空间机械臂在运动过程中，臂杆两端的边界条件并不是固定不变的，因此臂杆柔性振动特征也会不断发生变化。本文设计了假设模态的读入接口，可以读取实验或有限元方法获得的任意模态信息，从而保证计算的可靠性。 3．实现了对空间柔性机械臂的动力学仿真。针对微分代数方程，采用改进的欧拉算法离散微分方程，使用C语言编写了空间机械臂动力学的通用程序。针对一些经典的例子，开展了该程序计算结果与理论分析结果和ADAMS计算结果的对比工作，验证了程序的正确性。 本文的模型和程序能够为空间机械臂的设计提供一定的理论支持。