空间机器人六自由度浮游目标捕获功能地面验证系统研究

论文摘要

航天器在轨捕获和对接技术已经成为航天技术中的一个重要研究和应用方向,它是载人航天的关键技术,同时也是今后扩展卫星应用能力的一个重要手段。研制卫星用捕获机构,目的是使卫星尽可能长时间地维持有效和稳定的运动轨道,以延长在轨寿命,降低更替频率。同时,卫星需要具备变轨能力以使其不易受到攻击,能够为观察新的敏感区域重新定位,或减少对全球覆盖多卫星群的需求。此外,由于发射成本及重量所限,要求卫星具有在轨服务功能,完成在轨燃料加注,利用自动负载处理系统更换卫星受损元件或补充耗费品等任务。卫星用捕获机构将大大扩展卫星的应用范围和使用的灵活性。本文的主要内容为:(1)介绍了空间机器人的国内外发展现状和意义。空间机器人的主要分类、自由飞行空间机器人的主要用途、说明了地面模拟卫星气浮台的关键技术,阐述了气体轴承在卫星气浮台中的应用。(2)研究了气体静压轴承静特性的有限元分析方法,分析了各个坐标系下的数学模型和保角变换关系,并详细推导了小孔变换公式,从而能够更精确的计算轴承的流量和承载能力。(3)研究了气体静压轴承的非参数优化研究方法,介绍了支持向机的理论和回归方法,并用于气体静压轴承的非参数建模。在此基础上,研究了基于遗传算法的非参数研究工作。(4)研究了半主动空间微重力方法。主要包括竖直方向的重力补偿方法的研究,在此基础上,结合气体静压轴承的研究,设计了一种半主动六自由度模拟卫星,并研究了卫星姿态摆放系统。(5)研究了一种空间机械手的自动换爪装置,说明了它的工作原理和具体结构,并给出了仿真结果和实际模型。本文的主要创新工作:(1)设计了一种半主动六自由度模拟卫星,该卫星克服了以往被动式吊丝和气缸微重力系统的缺点,提高了微重力系统的精度。(2)设计了一种简单实用的模拟卫星位姿摆放系统,满足了总体提出的实验要求。(3)设计了一种空间机械手的自动换爪装置,从而为国内空间机器人的自动更换装置填补了一项空白。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间机器人的发展历史
• 1.3 空间机器人的主要用途及其研究意义
• 1.4 空间机器人的主要分类
• 1.4.1 空间舱外机器人
• 1.4.2 自由飞行空间机器人
• 1.4.3 空间舱内机器人
• 1.4.4 行星探测机器人
• 1.5 空间机器人地面实验系统的研究现状
• 1.5.1 气浮式地面实验系统（图1-11）
• 1.5.2 水浮式地面实验系统（图1-12）
• 1.5.3 基于抛物线或自由落体运动的实验系统（图1-13）
• 1.5.4 吊丝配重实验系统（图1-14）
• 1.5.5 数学模型与实物相结合的混合地面实验系统（图1-15）
• 1.6 卫星气浮台的研究现状
• 1.6.1 国外气浮台的应用和发展
• 1.6.2 国内气浮台的应用和发展
• 1.6.3 静压气体静压轴承的研究
• 1.7 空间机械手对接装置
• 1.8 论文的结构安排及创新工作
• 第2章 气体静压轴承静特性的有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 气体静压轴承静特性的数学模型的建立
• 2.2.1 气膜润滑理论
• 2.2.2 假设条件
• 2.2.3 系数形式的PDE方程（Coefficient style PDE equation）
• 2.2.4 直角坐标系下圆形平面气体静压轴承的数学模型
• 2.2.5 极坐标系下圆形平面气体静压轴承的数学模型
• 2.2.6 球坐标系下球面气体静压轴承的数学模型
• 2.2.7 算例
• 2.3 本章小结
• 第3章 气体静压轴承非参数优化研究
• 3.1 引言
• 3.2 机器学习与统计学习理论的基本概念
• 3.2.1 机器学习
• 3.2.2 支持向量机
• 3.2.3 支持向量机回归方法
• 3.3 平面气体静压轴承的非参数回归建模
• 3.3.1 基于支持向量机的平面气体静压轴承非参数建模
• 3.3.2 支持向量机模型检验
• 3.4 基于GA的平面气体静压轴承参数优化
• 3.4.1 遗传算法概述
• 3.4.2 基于GA的平面气体静压轴承参数优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 六自由度模拟浮游卫星研究
• 4.1 引言
• 4.2 竖直方向上重力补偿的研究
• 4.2.1 被动吊丝（悬挂）配重微重力方法研究
• 4.2.2 半主动吊丝（悬挂）配重微重力方法研究
• 4.2.3 无摩擦气缸式微重力方法研究
• 4.2.4 半主动式空间微重力方法的研究
• 4.3 半主动6自由度模拟卫星设计
• 4.3.1 主被动并联6自由度模拟卫星研究的主要内容
• 4.3.2 六维浮游目标星质量惯量模拟研究
• 4.3.3 气体静压轴承的设计
• 4.3.4 竖直方向微重力环境实现方法的研究
• 4.3.5 其它主要机构的设计
• 4.4 卫星位姿摆放系统的研究
• 4.4.1 六自由度运动模拟器
• 4.4.2 摆姿态系统的研究
• 4.4.3 摆位置系统的研究
• 4.5 模拟卫星主要检测技术
• 4.5.1 质量及惯量的测量
• 4.5.2 摩擦力及摩擦力矩的测量
• 4.5.3 手爪精度测量设备（六维位姿测量系统）的研究与设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 空间机械手的自动换爪装置
• 5.1 引言
• 5.2 原理及工作过程
• 5.2.1 机械机构的主要工作过程
• 5.2.2 锁紧/解锁机构保持正常工作的条件
• 5.2.3 换爪控制器
• 5.3 系统动力学建模及仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论及展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 本文的主要创新工作
• 6.3 未来工作的展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士期间发表的论文
• 作者在攻读博士期间研究的项目
• 致谢