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第一篇 在轨软接触技术概念与机理1

第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 在轨接触技术进展3

1.2.1 在轨接触技术试验现状3

1.2.2 在轨接触领域技术进展6

1.2.3 在轨接触空间机器人技术进展9

1.3 现有技术差距分析与发展需求15

1.3.1 技术差距分析15

1.3.2 软接触技术发展需求16

1.4 在轨软接触技术的研究价值和意义16

第2章 在轨软接触技术概念18

2.1 在轨软接触技术的概念内涵18

2.1.1 概念背景分析18

2.1.2 概念内涵19

2.1.3 核心思想19

2.2 在轨软接触概念情景构设与行为分析20

2.2.1 需求的情境因素20

2.2.2 需求情境因素的敏感性分析25

2.2.3 软接触行为分解及约束条件分析29

2.2.4 软接触技术特性分析与综合评价33

第3章 在轨软接触技术机理37

3.1 软接触技术机理要素框架建立37

3.2 软接触技术机理要素的联合求解38

3.2.1 并行联合求解方法38

3.2.2 串行联合求解方法39

3.3 软接触技术机理判别准则建立41

3.3.1 机构运动路径规划准则41

3.3.2 接触动量控制准则42

3.4 软接触技术机理仿真验证与评价43

3.4.1 路径规划仿真验证43

3.4.2 动量控制仿真验证43

第4章 在轨软接触机理模型参数的定义与求解48

4.1 工作空间求解48

4.1.1 构型模型求解48

4.1.2 工作空间定义49

4.1.3 工作空间分析50

4.2 灵活度求解52

4.2.1 机构灵活度定义52

4.2.2 机构末端T点的灵活度分析52

4.3 控制复杂度求解与分析54

4.4 软接触机理模型约束参数求解54

4.4.1 机理模型约束参数方程建立54

4.4.2 机理模型约束参数综合求解56

4.4.3 机理模型参数的优化与确立59

第5章 在轨软接触机理模型设计61

5.1 柔性可控阻尼模型设计61

5.1.1 磁流变特性分析61

5.1.2 柔性可控阻尼设计62

5.2 基于仿生学的软接触机理模型设计63

5.2.1 仿生学设计基本思想63

5.2.2 仿生学设计的借鉴与不足65

5.2.3 基于仿生学的臂杆模型设计66

5.2.4 基于仿生学的关节模型设计66

5.3 基于一体化双关节的软接触机理模型设计72

5.3.1 一体化双关节设计基本思想72

5.3.2 一体化双关节设计的不足与借鉴73

5.3.3 一体化双关节模型设计73

第6章 在轨软接触机理模型仿真与评价80

6.1 单关节刚性传动单元仿真分析81

6.1.1 基于仿生学模型的传动单元仿真81

6.1.2 基于一体化双关节模型的传动单元仿真83

6.1.3 两种设计模型的传动单元仿真综合评价85

6.2 单关节线动柔性可控单元仿真分析85

6.2.1 线动柔性仿真实例设计85

6.2.2 基于仿生学模型的线动柔性可控单元仿真86

6.2.3 基于一体化双关节模型的线动柔性可控单元仿真89

6.2.4 线动柔性单元对两种机理模型的综合评价94

6.3 单关节角动柔性可控单元的仿真分析97

6.3.1 角动柔性仿真实例设计97

6.3.2 基于仿生学模型的角动柔性可控单元仿真97

6.3.3 基于一体化双关节模型的角动柔性可控单元仿真102

6.3.4 两种机理模型角动柔性单元的综合评价106

6.4 单关节复合柔性可控单元的仿真分析111

6.4.1 复合柔性仿真实例设计111

6.4.2 基于仿生学模型的复合柔性可控单元仿真111

6.4.3 基于一体化双关节模型的复合柔性可控单元仿真119

6.4.4 两种设计模型的复合柔性单元仿真综合评价127

第二篇 在轨软接触模型运动学与动力学方程136

第7章 在轨软接触模型运动学方程136

7.1 基本符号与多体姿态定义136

7.1.1 基本符号136

7.1.2 多体姿态表示137

7.2 软接触模型运动学方程建立139

7.2.1 运动学分析139

7.2.2 基于动量守恒定律的运动学方程正解141

7.2.3 基于动量守恒定律的运动学方程逆解144

第8章 在轨软接触模型动力学方程146

8.1 多刚体动力学描述基本方法146

8.1.1 柔性体变形的基本描述方法146

8.1.2 柔性动力学方程基本建模方法147

8.2 碰撞前—基于空间多刚体系统的动力学方程的建立149

8.2.1 基于拉格朗日方程的空间多体系统正动力学方程149

8.2.2 基于牛顿-欧拉方程的空间多体系统逆动力学方程150

8.2.3 仿真计算与验证151

8.3 碰撞中—基于柔性杆柔性铰的柔性动力学模型建立155

8.3.1 柔性杆柔性铰碰撞动力学模型建立156

8.3.2 仿真计算与验证160

8.4 碰撞中—基于虚拟构件的柔性动力学模型建立165

8.4.1 采用虚拟构件和铰的柔性多体动力学165

8.4.2 柔性多体动力学的广义递归算法172

8.4.3 仿真计算与验证181

8.5 碰撞后—基于凯恩方程的柔体动力学模型建立201

8.5.1 凯恩方程描述201

8.5.2 基于凯恩方程的柔性动力学模型204

8.5.3 仿真验证213

第三篇 在轨软接触机构路径规划方法217

第9章 软接触机构路径规划算法217

9.1 臂杆末端的速度序列规划算法217

9.1.1 末端线速度序列规划算法217

9.1.2 末端角速度序列规划算法218

9.2 笛卡儿路径规划算法219

9.2.1 自由漂浮模式末端连续位姿规划算法219

9.2.2 自由漂浮模式基座姿态无扰的规划算法222

9.2.3 自由飞行模式末端连续位姿规划算法225

9.3 沿指定路径的时间最优规划算法229

9.3.1 基本算法设计229

9.3.2 时间最优规划算法设计230

9.3.3 仿真计算与验证231

第10章 软接触机构轨迹跟踪控制算法235

10.1 基本控制算法设计235

10.1.1 控制律设计235

10.1.2 仿真计算与验证236

10.2 增益矩阵自适应调整的模糊滑模控制算法设计240

10.2.1 模糊控制律设计241

10.2.2 自适应控制律设计242

10.2.3 仿真计算与验证243

第11章 软接触机构路径规划中的参数辨识方法249

11.1 臂杆特性参数辨识249

11.2 自由漂浮模式下基座的质量特性参数辨识250

11.2.1 辨识算法研究250

11.2.2 仿真计算与验证252

11.3 自由飞行模式下基座的质量特性参数辨识253

11.3.1 辨识算法研究253

11.3.2 仿真计算与验证256

11.4 两种辨识算法的比较分析258

第四篇 在轨软接触机构刚柔复合控制方法260

第12章 基于期望函数约束的刚柔复合控制算法260

12.1 控制框架设计260

12.2 控制对象模型261

12.2.1 柔性可控阻尼器机理分析261

12.2.2 柔性可控阻尼器动力学模型计算263

12.3 内层控制算法266

12.3.1 内层控制策略设计266

12.3.2 BP神经网络基本理论267

12.3.3 基于神经网络的磁流变阻尼器控制算法268

12.3.4 仿真计算与验证269

12.4 外层控制算法270

12.4.1 外层控制策略设计271

12.4.2 基于线性二次型最优控制算法设计271

12.4.3 仿真计算与验证273

12.5 综合实例仿真与评价275

12.5.1 仿真实例设计275

12.5.2 仿真计算与验证275

第13章 基于微粒群优化的刚柔复合控制算法280

13.1 控制框架设计280

13.2 控制对象模型281

13.2.1 凯恩动力学模型281

13.2.2 基于神经网络磁流变阻尼器正模型281

13.2.3 基于神经网络磁流变阻尼器逆模型283

13.3 基于微粒群的刚柔复合控制算法289

13.3.1 微粒群基本理论290

13.3.2 基于微粒群刚柔复合控制算法设计293

13.4 基于PID刚柔复合控制算法设计295

13.4.1 控制器的设计295

13.4.2 参数选择296

13.5 综合实例仿真与评价296

13.5.1 仿真实例设计296

13.5.2 仿真计算与验证297

第五篇 在轨软接触技术验证304

第14章 在轨软接触机构数值仿真系统的构建与技术验证304

14.1 数值仿真系统的构建304

14.1.1 仿真系统总体框架设计304

14.1.2 分系统构建305

14.2 在轨软接触机构路径规划技术仿真验证307

14.2.1 仿真环境设计307

14.2.2 仿真计算与验证308

14.3 基于期望函数约束的在轨软接触机构刚柔复合控制技术仿真验证313

14.3.1 仿真环境设计313

14.3.2 仿真计算与验证313

14.4 基于微粒群的在轨软接触机构刚柔复合控制技术仿真验证316

14.4.1 仿真参数设计316

14.4.2 仿真计算与验证316

第15章 在轨软接触机构气浮式实物模型系统的构建与技术验证339

15.1 关节柔性可控阻尼部件的构建与验证339

15.1.1 单关节线动柔性可控阻尼部件构建339

15.1.2 单关节角动柔性可控阻尼构建343

15.1.3 磁流变阻尼器测试平台设计345

15.1.4 柔性可控阻尼器部件特性验证348

15.2 基于气浮式软接触机构试验系统的构建350

15.2.1 软接触机构试验系统设计分析350

15.2.2 软接触机构试验系统关节结构设计352

15.2.3 软接触机构气浮式试验系统构建355

15.3 基于气浮式软接触机构的试验验证360

15.3.1 试验框架设计360

15.3.2 空间碰撞力模拟361

15.3.3 硬接触碰撞动量控制试验361

15.3.4 软接触碰撞动量控制试验361

第16章 在轨软接触机构动力学在轨等效试验与校验365

16.1 需求分析与试验内容365

16.1.1 试验需求分析365

16.1.2 等效试验框架366

16.1.3 等效试验流程设计366

16.2 在轨等效试验模型构建367

16.2.1 在轨软接触机构模型等效设计分析367

16.2.2 基于凯恩方程的柔性多体动力学等效构建369

16.3 空间试验任务分析与数据应用372

16.3.1 现有在轨试验任务分析372

16.3.2 试验数据的选用372

16.4 基于凯恩方程的柔性多体动力学参数在轨校验与验证374

16.4.1 在轨校验与测试验证流程设计374

16.4.2 在轨动力学参数校验方程的求解376

16.4.3 参数校验与测试验证381

参考文献385