面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制

于金山; 李潇; 王国星; 陶建国; 王浩威

doi:10.37188/OPE.20212912.2832

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面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-01-07

- 面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制
- Variable stiffness control of redundant cable-driven parallel mechanism for on-orbit assembly
- 光学精密工程 2021年29卷第12期页码：2832-2843
- 作者机构：
  
  1.哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001
  2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094
  3.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094
- 作者简介：
  
  [ "于金山（1994-），男，河北沧州人，博士研究生，2017年于河北工业大学获得学士学位，2019年于哈尔滨工业大学获得硕士学位，主要从事索并联机构方面的研究。E-mail：18322518051@163.com" ]
  [ "陶建国（1964-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，博士生导师，2009年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要研究方向为特种机器人技术、宇航空间机构及控制。E-mail：jgtao@hit.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(U2013603)
- DOI：10.37188/OPE.20212912.2832
  中图分类号： V476.5
- 收稿日期：2021-04-21，
  
  修回日期：2021-05-28，
  
  纸质出版日期：2021-12-15
- 稿件说明：
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于金山,李潇,王国星等.面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制[J].光学精密工程,2021,29(12):2832-2843.

YU Jin-shan,LI Xiao,WANG Guo-xing,et al.Variable stiffness control of redundant cable-driven parallel mechanism for on-orbit assembly[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(12):2832-2843.
于金山,李潇,王国星等.面向在轨装配的冗余索并联机构变刚度控制[J].光学精密工程,2021,29(12):2832-2843. DOI： 10.37188/OPE.20212912.2832.

YU Jin-shan,LI Xiao,WANG Guo-xing,et al.Variable stiffness control of redundant cable-driven parallel mechanism for on-orbit assembly[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(12):2832-2843. DOI： 10.37188/OPE.20212912.2832.

摘要

为了提高一种面向在轨装配的索并联机构的工作性能，提出了变刚度控制算法。建立了索并联机构的完整刚度模型，分析了绳索张力分布对不同方向刚度的影响。然后，考虑影响绳索张力分布的矢量

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1.60866666

2.37066650

的安全边界，建立了变刚度控制算法，该算法消除了刚度模型中对整体影响较小的耦合刚度，提高了计算效率，并且通过分配权重的方式对不同方向的刚度进行不同优先级的控制。最后，通过仿真与实验对变刚度控制算法的效果进行了验证。以旋拧操作为例，仿真结果表明：在对运动平台施加一定扰动力时，采用变刚度控制算法求解出的索力分布使薄弱方向的振动降低了35%。样机实验结果表明，在对索并联机构样机进行刚度控制后，刚度的测量值与理论值具有较强的拟合性，误差分别为16.3%和14.6%。变刚度控制算法可以提高索并联机构的工作性能，具有较强的实用性，并且可以用于不同类型的冗余索并联机构中。

Abstract

To improve the performance of a cable-driven parallel mechanism（CDPM） for on-orbit assembly through by changing its stiffness， a variable stiffness control algorithm was proposed. First， the complete stiffness model of the CDPM was established. Secondly， the influence of tension distribution on the stiffness in different directions was analyzed and studied. Then， considering the safety margin of the vector

， which affected the tension distribution， a variable stiffness control algorithm for the CDPM was established. The algorithm eliminates the coupling stiffness that has a small effect on the overall stiffness in the stiffness model， improves the calculation efficiency， and can assign weights to control the stiffness in different directions with different prioritypriorities. Finally， the effect of the variable stiffness control algorithm was verified through a simulation and an experiment. Taking the screwing operation as an example， the simulation results show that when a disturbing force is applied to the moving platform， the tension distribution obtained by the variable stiffness control algorithm can reduce the vibration in the weak direction by 35%. The prototype experiment results show that after the stiffness control of the CDPM prototype， the measured value of the stiffness has a strong fit with the theoretical value， and the errors for these values are 16.3% and 14.6%， respectively. The proposed variable stiffness control algorithm can improve the performance of the CDPM by changing its stiffness.The algorithm has strong practicability and can be used for different types of redundant CDPMs.

关键词

Keywords

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