空间大型可展开环形张拉机构动力学特性分析

doi:10.3901/JME.2024.12.344

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (12): 344-354.doi: 10.3901/JME.2024.12.344

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空间大型可展开环形张拉机构动力学特性分析

赵宏跃, 史创, 郭宏伟, 刘荣强

哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨 150001

收稿日期:2023-07-21 修回日期:2023-12-25 出版日期:2024-06-20 发布日期:2024-08-23
作者简介:赵宏跃,男,1990年出生,博士研究生。主要研究方向为空间可展开机构。E-mail:18B908114@stu.hit.edu.cn;史创(通信作者),男,1990年出生,博士,讲师,硕士研究生导师。主要研究方向为宇航空间机构与控制。E-mail:ty12shichuang@126.com
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52175010,52005123)。

Dynamic Characteristics Analysis of Spatial Large Deployable Annular Tensegrity Mechanism

ZHAO Hongyue, SHI Chuang, GUO Hongwei, LIU Rongqiang

State Key Laboratory of Robotics and system, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001

Received:2023-07-21 Revised:2023-12-25 Online:2024-06-20 Published:2024-08-23

摘要/Abstract

摘要： 空间环形张拉机构是实现天线口径大型化的理想结构形式之一。为了研究环形张拉结构的动力学特性，首先介绍空间环形张拉结构的系统组成，然后对张拉结构的环形桁架进行了运动学分析。根据铰链节点的展开速度，对其展开过程进行运动规划。然后基于运动学结果建立环形桁架机构的动力学模型，通过牛顿—欧拉公式综合考虑了斜拉索索力、关节摩擦阻尼及关节锁紧力矩对动力学特性的影响，分析当机构采用无源驱动时，对斜拉索索力的影响规律。以斜拉索索力变化偏差均值及最大索力值最小为优化目标，对采用的弹簧驱动进行了优化设计，其中优化后的弹簧刚度降低了24.5%，拉索张力偏差均值及索拉力峰值分别降低了45.2%和41.6%。最后研制了缩比原理样机，进行动力学试验，通过试验结果验证了动力学分析方法的正确性。

关键词: 环形张拉机构, 运动学, 动力学分析, 驱动优化

Abstract: The annular tensegrity structure is one of the ideal structural forms to make the aperture of the antenna large. In order to study the dynamic characteristics of the annular tensegrity structure, the system composition of the annular tensegrity structure is firstly introduced. Then, a full kinematic model is established. The motion planning is performed based on the velocity of the hinge during deployment. Then, the dynamics model of the hoop mechanism is established based on the results of the kinematic model. The influences of pretension forces of the cables, friction damping of the joints and the locking moments of the joints are comprehensively considered based on Newton-Euler formula. The deviation value of the pretension variation and the maximum value of the pretension are taking as optimization objectives, scroll springs when employed are optimized. The spring stiffness, the pretension variation and the maximum value of the pretension have decreased by 24.5%, 45.2% and 41.6% respectively. Finally, a prototype of scaling principle has been developed, and the dynamic test is carried out. The correctness of dynamic analysis method is verified by experimental results.

Key words: spatial annular tensegrity mechanism, kinematics, dynamic analysis, drive optimization

中图分类号:

TH122

赵宏跃, 史创, 郭宏伟, 刘荣强. 空间大型可展开环形张拉机构动力学特性分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(12): 344-354.

ZHAO Hongyue, SHI Chuang, GUO Hongwei, LIU Rongqiang. Dynamic Characteristics Analysis of Spatial Large Deployable Annular Tensegrity Mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(12): 344-354.

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Dynamic Characteristics Analysis of Spatial Large Deployable Annular Tensegrity Mechanism

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