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一种仿生附着装置柔顺关节的优化设计

崔永灿 宋婷 孙俊 楚中毅

崔永灿, 宋婷, 孙俊, 等 . 一种仿生附着装置柔顺关节的优化设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(12): 2660-2666. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0342
引用本文: 崔永灿, 宋婷, 孙俊, 等 . 一种仿生附着装置柔顺关节的优化设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(12): 2660-2666. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0342
CUI Yongcan, SONG Ting, SUN Jun, et al. Optimization design of compliant joints of bionic adhesive device[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(12): 2660-2666. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0342(in Chinese)
Citation: CUI Yongcan, SONG Ting, SUN Jun, et al. Optimization design of compliant joints of bionic adhesive device[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(12): 2660-2666. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0342(in Chinese)

一种仿生附着装置柔顺关节的优化设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0342
详细信息
    作者简介:

    崔永灿  男, 硕士研究生。主要研究方向:空间机器人技术

    楚中毅  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:空间机器人技术

    通讯作者:

    楚中毅, E-mail: chuzy@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V444;TP242

Optimization design of compliant joints of bionic adhesive device

More Information
  • 摘要:

    为提高仿生附着装置在捕获空间非合作目标物时对目标运动参数的适应性,设计了一种3自由度串联柔顺关节,可通过关节嵌入系统后的协调运动来辅助装置被动适应运动目标物姿态,并在运动过程中基于弹簧、阻尼缓冲器组成的关节柔顺机构及其能量耗散原理来降低目标物动能。为验证、优化关节性能,通过ADAMS虚拟样机软件建立了基于柔顺关节的仿生附着装置捕获过程运动学与动力学模型,分析了柔顺关节3组弹簧刚度系数、黏滞阻尼系数对非合作目标物捕获状态的影响,并利用ADAMS-iSIGHT联合仿真平台,通过多岛遗传算法对上述弹簧、阻尼器的重要参数进行了优化,极大提高了柔顺关节的能量耗散效果,同时保证了可捕获目标物运动参数达到规定要求。

     

  • 图 1  仿生附着装置组成原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of bionic adhesive device composition

    图 2  对齐示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of alignment

    图 3  ADAMS模型整体组成

    Figure 3.  Overall composition of ADAMS model

    图 4  柔顺关节位移曲线

    Figure 4.  Curves of compliant joint displacement

    图 5  对齐完成时刻模型状态

    Figure 5.  Model state at alignment completion moment

    图 6  目标物状态参数变化

    Figure 6.  Change of target state parameters

    图 7  iSIGHT集成ADAMS优化流程

    Figure 7.  Flowchart of iSIGHT integrated ADAMS optimization

    图 8  目标函数迭代过程

    Figure 8.  Objective function iterative process

    图 9  优化前后目标物动能变化对比

    Figure 9.  Comparison of target kinetic energy before and after optimization

    表  1  零件关键物理参数

    Table  1.   Parts' key physical parameters

    零件 质量/kg 绕质心转动惯量/(kg·mm2)
    基座 224.67 3.27×106
    平移滑块 1.80×10-2 2.37
    连杆1 0.29 0.28
    连杆2+附着机构框架 0.562 13.65
    目标物 31.37 1.58×105
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    表  2  接触和摩擦模型参数

    Table  2.   Contact and friction model parameters

    参数 数值
    材料等效刚度k/(N·mm-1) 100 000
    非线性指数e 2.2
    材料最大等效阻尼系数Cmax /(N·s·mm-1) 10
    构件最大变形深度dmax/mm 0.1
    静摩擦系数μs 0.3
    动摩擦系数μd 0.1
    静摩擦临界速度vs/(mm·s-1) 100
    动摩擦临界速度vd/(mm·s-1) 1 000
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    表  3  柔顺单元相关参数

    Table  3.   Related parameters of compliant units

    参数 数值
    平移关节压缩弹簧刚度系数/(N·mm-1) 0.1
    平移关节黏滞阻尼系数/(N·s·mm-1) 0.1
    转动关节1旋转弹簧刚度系数/(N·mm·(°)-1) 0.1
    转动关节1黏滞阻尼系数/(N·mm·s·(°)-1) 0.1
    转动关节2旋转弹簧刚度系数/(N·mm·(°)-1) 0.1
    转动关节2黏滞阻尼系数/(N·mm·s·(°)-1) 0.1
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    表  4  目标物运动参数

    Table  4.   Target motion parameters

    参数 数值
    线速度/(m·s-1) 0.1
    角速度/((°)·s-1) 0.1
    偏航角/(°) 20
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    表  5  设计变量范围

    Table  5.   Design variable range

    变量 变化区间
    平移关节压缩弹簧刚度系数x1/(N·mm-1) [0, 1]
    平移关节黏滞阻尼系数x2/(N·s ·mm-1) [0, 1]
    转动关节1旋转弹簧刚度系数x3/(N·mm·(°)-1) [0, 1.5]
    转动关节1黏滞阻尼系数x4/(N·mm·s·(°)-1) [0, 1.5]
    转动关节2旋转弹簧刚度系数x5/(N·mm·(°)-1) [0, 1.5]
    转动关节2黏滞阻尼系数x6/(N·mm·s·(°)-1) [0, 1.5]
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    表  6  优化变量对比

    Table  6.   Optimized variable comparison

    变量 初始值 优化值
    x1/(N·mm-1) 0.1 0.103 66
    x2/(N·s ·mm-1) 0.1 0.897 07
    x3/(N·mm·(°)-1) 0.1 0.176 26
    x4/(N·mm·s·(°)-1) 0.1 0.211 61
    x5/(N·mm·(°)-1) 0.1 0.117 29
    x6/(N·mm·s·(°)-1) 0.1 0.397 71
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    表  7  优化目标对比

    Table  7.   Optimization target comparison

    参数 优化前 优化后
    目标物初始动能/mJ 156.85 156.85
    目标物残余动能/mJ 139.51 108.58
    动能耗散量/mJ 17.34 48.27
    对齐角速度/((°)·s-1) 1.8 4.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-08
  • 录用日期:  2018-07-27
  • 刊出日期:  2018-12-20

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