一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統技術方案

一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，涉及一種動力學物理仿真領域，包括空間機械臂控制器模塊、總線數據轉換模塊、空間機械臂聯合解算模塊和解算結果顯示及后處理模塊；采用ADAMS軟件建立的空間機械臂動力學模型，由空間機械臂動力學模型輸出空間機械臂速度參數至MATLAB/SIMULINK解算軟件解算，并由解算結果顯示及后處理模塊生成解算結果圖，提供了一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，為實際空間機械臂機械結構強度設計、空間機械臂傳動系統選型設計提供了依據，并對軌跡規劃算法進行仿真驗證，輔助基于空間機械臂能量優化的運動規劃。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種動力學物理仿真方法，特別是一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統。
技術介紹
空間機械臂的構型對于空間發射任務來說是非常重要的，合理的構型設計不僅可以降低機械臂在發射過程中的空間占用情況，減輕系統質量，減小發射費用，更重要的是可以減小對星體的姿態擾動，降低空間機械臂對支撐鎖緊機構的要求，減輕整個系統的復雜程度，提高整個系統的可靠性?？臻g機械臂工作在微重力，地面模擬空間微重力環境無法實現對機械臂完整工作空間的全狀態動力學仿真，通過ADAMS建立空間機械臂微重力環境下的動力學模型，結合機械臂控制器實現空間機械臂在微重力環境下的全狀態仿真與控制器設計、調試對空間機械臂的研制有著重要意義。目前，采用一體化聯合仿真分析多應用于測試控制系統響應特性以及跟隨性能等虛擬數字樣機仿真方面，并沒有基于實際控制器對空間機械臂微重力動力學虛擬數字樣機進行半物理仿真。我國目前也沒有一種針對空間機械臂全狀態動力學快速物理仿真的方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的上述不足，提供了一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，為實際空間機械臂機械結構強度設計、空間機械臂傳動系統選型設計提供了依據，并對軌跡規劃算法進行仿真驗證，輔助基于空間機械臂能量優化的運動規劃。一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，包括空間機械臂控制器模塊、總線數據轉換模塊、空間機械臂聯合解算模塊和解算結果顯示及后處理模塊；空間機械臂控制器模塊：接收外部智能識別系統傳來的控制信號，對控制信號進行濾波，并將濾波后的控制信號進行空間機械臂末端運動軌跡計算，生成軌跡控制指令，將軌跡控制指令作為控制參數總線信號，輸出至總線數據轉換模塊；并將接收到的外部智能識別系統傳來的控制信號傳輸至解算結果顯示及后處理模塊；總線數據轉換模塊：接收從空間機械臂控制器模塊傳來的控制參數總線信號，并將控制參數總線信號轉換為計算機可識別的控制信號，將控制信號傳輸出至空間機械臂聯合解算模塊；空間機械臂聯合解算模塊：采用MATLAB/SIMULINK解算軟件建立電機模型，MATLAB/SIMULINK解算軟件接收總線數據轉換模塊傳來的控制信號，并將控制信號進行閉環差分運算，將閉環差分運算得結果放大后生成電壓控制信號，將電壓控制信號輸入電機模型，由電機模型將控制信號轉換成力矩信號；采用ADAMS軟件建立空間機械臂動力學模型；將力矩信號輸出至ADAMS軟件建立的空間機械臂動力學模型，由空間機械臂動力學模型輸出空間機械臂角速度和速度參數至MATLAB/SIMULINK解算軟件，MATLAB/SIMULINK解算軟件通過對空間機械臂角速度和速度參數進行閉環反饋控制解算，解算出空間機械臂角位移和位移的解算數據，并將解算數據輸出至解算結果顯示及后處理模塊。解算結果顯示及后處理模塊：接收空間機械臂聯合解算模塊空間機械臂角位移和位移的解算數據，將解算數據生成解算結果圖。在上述的一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，具體包括如下步驟：步驟(一)、空間機械臂控制器模塊接收外部智能識別系統傳來的控制信號，對控制信號進行濾波，并將濾波后的控制信號進行空間機械臂末端運動軌跡計算，生成軌跡控制指令，將軌跡控制指令作為控制參數總線信號，輸出至總線數據轉換模塊；并將接收到的外部智能識別系統傳來的控制信號傳輸至解算結果顯示及后處理模塊；步驟(二)、總線數據轉換模塊接收從空間機械臂控制器模塊傳來的控制參數總線信號，并將控制參數總線信號轉換為計算機可識別的控制信號，將控制信號傳輸出至空間機械臂聯合解算模塊；步驟(三)、空間機械臂聯合解算模塊采用MATLAB/SIMULINK解算軟件建立電機模型，MATLAB/SIMULINK解算軟件接收總線數據轉換模塊傳來的控制信號，并將控制信號進行閉環差分運算，將閉環差分運算得結果放大后生成電壓控制信號，將電壓控制信號輸入電機模型，由電機模型將控制信號轉換成力矩信號；采用ADAMS軟件建立空間機械臂動力學模型；將力矩信號輸出至ADAMS軟件建立的空間機械臂動力學模型，由空間機械臂動力學模型輸出空間機械臂角速度和速度參數至MATLAB/SIMULINK解算軟件，MATLAB/SIMULINK解算軟件通過對空間機械臂角速度和速度參數進行閉環反饋控制解算，解算出空間機械臂角位移和位移的解算數據，并將解算數據輸出至解算結果顯示及后處理模塊。步驟(四)、解算結果顯示及后處理模塊接收空間機械臂聯合解算模塊空間機械臂角位移和位移的解算數據，將解算數據生成解算結果圖。在上述的一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，所述步驟(三)中，ADAMS軟件建立空間機械臂動力學模型的步驟包括：a、打開ADAMS仿真軟件，在ADAMS/View中新建模型，導入.x_t格式的三維模型；b、對工作環境進行設置，勾選去除重力對話框中Gravity；c、導入的三維模型中自帶質量屬性，刪除質量為零的多余部件；d、在ADAMS工具欄中選擇Connectors打開約束庫，對機械臂各關節上殼體和下殼體之間施加旋轉約束，對各關節和臂桿之間施加固定約束，對末端執行器中的手指驅動板和殼體之間施加平移約束，對三個手指和驅動板及殼體之間施加相應的旋轉約束和單副約束；e、在工具欄中選擇Motions打開驅動庫，對關節施加旋轉驅動實現空間機械臂動力學模型的建立。在上述的一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，所述步驟(一)中，空間機械臂控制器模塊包括管控單元、計算單元和通信單元；通信單元接收外部智能識別系統傳來的控制信號，將控制信號傳輸至管控單元，管控單元對控制信號進行濾波和數據預處理，并將濾波和數據預處理后的控制信號傳至計算單元，計算單元對進行軌跡計算生成軌跡控制指令，將軌跡控制指令作為控制參數總線信號，輸出至總線數據轉換模塊。在上述的一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，所述步驟(三)中，采用ADAMS軟件建立的空間機械臂動力學模型，加速度參數設為10-4g。在上述的一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，所述步驟(三)中，采用ADAMS軟件建立的空間機械臂動力學模型，以ADAMS/Control模塊為接口模塊，實現將動力學模型與MATLAB/SIMULINK解算軟件的連接，ADAMS/Control模塊將空間機械臂動力學模型輸出的空間機械臂角速度和速度參數轉換本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，其特征在于：包括空間機械臂控制器模塊、總線數據轉換模塊、空間機械臂聯合解算模塊和解算結果顯示及后處理模塊；空間機械臂控制器模塊：接收外部智能識別系統傳來的控制信號，對控制信號進行濾波，并將濾波后的控制信號進行空間機械臂末端運動軌跡計算，生成軌跡控制指令，將軌跡控制指令作為控制參數總線信號，輸出至總線數據轉換模塊；并將接收到的外部智能識別系統傳來的控制信號傳輸至解算結果顯示及后處理模塊；總線數據轉換模塊：接收從空間機械臂控制器模塊傳來的控制參數總線信號，并將控制參數總線信號轉換為計算機可識別的控制信號，將控制信號傳輸出至空間機械臂聯合解算模塊；空間機械臂聯合解算模塊：采用MATLAB/SIMULINK解算軟件建立電機模型，MATLAB/SIMULINK解算軟件接收總線數據轉換模塊傳來的控制信號，并將控制信號進行閉環差分運算，將閉環差分運算得結果放大后生成電壓控制信號，將電壓控制信號輸入電機模型，由電機模型將控制信號轉換成力矩信號；采用ADAMS軟件建立空間機械臂動力學模型；將力矩信號輸出至ADAMS軟件建立的空間機械臂動力學模型，由空間機械臂動力學模型輸出空間機械臂角速度和速度參數至MATLAB/SIMULINK解算軟件，MATLAB/SIMULINK解算軟件通過對空間機械臂角速度和速度參數進行閉環反饋控制解算，解算出空間機械臂角位移和位移的解算數據，并將解算數據輸出至解算結果顯示及后處理模塊；解算結果顯示及后處理模塊：接收空間機械臂聯合解算模塊空間機械臂角位移和位移的解算數據，將解算數據生成解算結果圖。...

【技術特征摘要】
1.一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，其特征在于：包括空間
機械臂控制器模塊、總線數據轉換模塊、空間機械臂聯合解算模塊和解算結果
顯示及后處理模塊；
空間機械臂控制器模塊：接收外部智能識別系統傳來的控制信號，對控制
信號進行濾波，并將濾波后的控制信號進行空間機械臂末端運動軌跡計算，生
成軌跡控制指令，將軌跡控制指令作為控制參數總線信號，輸出至總線數據轉
換模塊；并將接收到的外部智能識別系統傳來的控制信號傳輸至解算結果顯示
及后處理模塊；
總線數據轉換模塊：接收從空間機械臂控制器模塊傳來的控制參數總線信
號，并將控制參數總線信號轉換為計算機可識別的控制信號，將控制信號傳輸
出至空間機械臂聯合解算模塊；
空間機械臂聯合解算模塊：采用MATLAB/SIMULINK解算軟件建立電機模
型，MATLAB/SIMULINK解算軟件接收總線數據轉換模塊傳來的控制信號，并
將控制信號進行閉環差分運算，將閉環差分運算得結果放大后生成電壓控制信
號，將電壓控制信號輸入電機模型，由電機模型將控制信號轉換成力矩信號；
采用ADAMS軟件建立空間機械臂動力學模型；將力矩信號輸出至ADAMS軟
件建立的空間機械臂動力學模型，由空間機械臂動力學模型輸出空間機械臂角
速度和速度參數至MATLAB/SIMULINK解算軟件，MATLAB/SIMULINK解算
軟件通過對空間機械臂角速度和速度參數進行閉環反饋控制解算，解算出空間
機械臂角位移和位移的解算數據，并將解算數據輸出至解算結果顯示及后處理
模塊；
解算結果顯示及后處理模塊：接收空間機械臂聯合解算模塊空間機械臂角
位移和位移的解算數據，將解算數據生成解算結果圖。
2.根據權利要求1所述的一種空間機械臂全狀態動力學半物理仿真系統，
其特征在于：具體包括如下步驟：
步驟(一)、空間機械臂控制器模塊接收外部智能識別系統傳來的控制信號，
對控制信號進行濾波，并將濾波后的控制信號進行空間機械臂末端運動軌跡計
算，生成軌跡控制指令，將軌跡控制指令作為控制參數總線信號，輸出至總線
數據轉換模塊；并將接收到的外部智能識別系統傳來的控制信號傳輸至解算結
果顯示及后處理模塊；
步驟(二)、總線數據轉換模塊接收從空間機械臂控制器模塊傳來的控制參
數總線信號，并將控制參數總線信號轉換為計算機可識別的控制信號，將控制
信號傳輸出至空間機械臂聯合解算模塊；
步驟(三)、空間機械臂聯合解算模塊采用MATLAB/SIMULINK解算軟件
建立電機模型，MATLAB/SIMULINK解算軟件接收總線數據轉換模塊傳來的控
制信號，并將控制信號進行閉環差分運算，將閉環差分運算得結果放大后生成
電壓控制信號，將電壓控制信號輸入電機模型，由電機模型將控制信號轉換成
力矩信號；采用ADAMS軟件建立空間機械臂動力學模型；將力矩信號輸出至
ADAMS軟件...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李科，楊濤，劉嘉宇，張栩曼，劉書選，
申請(專利權)人：北京精密機電控制設備研究所，中國運載火箭技術研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11