在轨细胞机器人动力学分析及操作构型性能评价方法.pdf

2025年海军航空大学学报海军航空大学学报2025

第40卷第1期JournalofNavalAviationUniversityVol.40No.1

文章编号：2097-1427（2025）01-0121-12DOI：10.7682/j.issn.2097-1427.2025.01.003

在轨细胞机器人动力学分析及

操作构型性能评价方法

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梁嘉伟，姚金铭，张慧博，张志贤

（1.河北工业大学机械工程学院，天津300401；2.哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001；

3.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001；4.中国空间技术研究院，北京100094）

摘要：日益复杂的在轨任务需求对航天器任务能力提出了更高的要求，细胞机器人具有“同样载荷，多种功能”的

特点，能够通过变换自身构型完成在轨组装、抓捕等工作，已逐渐成为未来在轨航天器的研究新热点。面向在轨细

胞机器人操作构型性能评价的需求，以细胞机器人在轨组装为背景，基于不同重构工况下的细胞机器人系统动力学

参数，建立了组合体构型评价参数的映射关系，构建了关于细胞机器人驱动参数、组合体系统振动参数、组合体轨道

参数、拓扑构型重构过程稳定性等设计变量的约束函数，提出了细胞机器人在轨重构构型评价方法。最后，进行了

不同构型变化下的动力学仿真，并应用构型评价方法对其进行分析。结果表明，单自由细胞工况二为执行在轨组装

任务的最优构型。文章所提评价方法综合考虑了细胞机器人在轨系统动力学参数，可为后续在轨细胞机器人的典

型工况构型评价方法提供参考。

关键词：细胞机器人；在轨操作；动力学分析；构型评价

中图分类号：V423.4文献标识码：A

0引言体系统，具有复杂的动力学机理和特性。面对多种多

样在轨任务类型，其所对应的工作构型也数量繁多，

随着人类对太空探测的持续深入，航天器的功能加之受到空间极端环境及所携带燃料有限的影响，细

密度不断变大，有效载荷作为航天器系统的重要组成胞机器人在执行构型转变时的变构路径选择更需慎

部分，其应用性能的设计在很大程度上影响着航天器重。此时，对在轨细胞机器人的稳定性、整体变形，振

的功能实现。传统的航天器大多采用固定构型，在大动幅度、频率等动力学行为的综合考虑以及分析评价

空域、复杂任务环境下的适应性、安全性和智能化程就显得十分必要。在研究在轨细胞机器人的变构过

度明显不足。与之对应的，细胞机器人可通过对任务程中，优先构建细胞机器人动力学模型和精确的构型

需求的分析，自行切换构型来适应不同的在轨任务，评价方法是关键所在。

如在轨组装、在轨维修等。在相同的有效载荷下，相国内外众多学者对在轨变构型、变惯量航天器系

较于传统航天器，细胞机器人能够完成更多类型的任统动力学建模及构型评价方法领域开展了广泛的研

务，具有“同样载荷，多种功能”的特点，已逐渐成为未究。针对同质模块化机器人分布式并行运动学建模，

来在轨航天器的研究新热点。[1]

北京邮电大学基于同质模块化机器人拓扑结构数学

然而，细胞机器人是一个复杂的多