Dynamic characterization of spatially deployable manipulator with rotating pair clearance

LEI Yuanhang; HE Yayin; CHEN Lijun; ZHAO Yonqiang; REN Zhigui; WANG Junli

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Dynamic characterization of spatially deployable manipulator with rotating pair clearance

更新时间：2026-06-08

- Dynamic characterization of spatially deployable manipulator with rotating pair clearance
- Journal of Mechanical Transmission Pages: 1-10(2026)
- 作者机构：
  
  陕西理工大学机械工程学院，汉中 723000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：
  CLC： TH122
- Received：17 June 2025，
  
  Revised：2025-07-21，
  
  Online First：08 June 2026，
- 稿件说明：
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雷远航，何亚银，陈礼军，等.含旋转副间隙的空间可展开机械手动态特性研究［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-10.

LEI Yuanhang，HE Yayin，CHEN Lijun，et al.Dynamic characterization of spatially deployable manipulator with rotating pair clearance［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-10.
雷远航，何亚银，陈礼军，等.含旋转副间隙的空间可展开机械手动态特性研究［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-10. DOI：

LEI Yuanhang，HE Yayin，CHEN Lijun，et al.Dynamic characterization of spatially deployable manipulator with rotating pair clearance［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-10. DOI：

摘要

目的

为研究旋转副间隙对空间可展机构动态特性的影响，设计了一种空间剪叉式可展开机械手。

方法

建立旋转副间隙数学模型，基于IMPACT函数的接触力模型对含旋转副间隙的空间机械手进行动力学仿真，分析间隙大小、恢复系数、间隙位置和间隙数量等因素对其展开过程动态特性的影响。

结果

结果表明，间隙大小在0.02~0.04 mm、所选择材料的恢复系数在0.4~0.8时，展开过程相对稳定；越远离执行件的位置，旋转副间隙对执行件的动态特性越大；间隙数量增加会使机械手展开过程中振动频率增大，影响其展开过程的稳定性。因此，选择合适的参数和材料至关重要。研究结果可为空间可展开机械手的研究与机构优化提供参考。

Abstract

Objective

In order to study the influence of the rotating pair clearance on the dynamic characteristics of the space deployable mechanism

a space shear-fork deployable manipulator was designed.

Methods

A mathematical model of the rotating pair clearance was established

and a dynamic simulation analysis of the space manipulator containing a rotating pair clearance was carried out based on the contact force model of the IMPACT function to analyze the effects of the gap size

the recovery coefficient

the position of the gap and the number of gaps on the dynamic characteristics of its unfolding process.

Results

The results show that the deployment process remains relatively stable when the joint clearance ranges from 0.02 mm to 0.04 mm and the restitution coefficient of the selected material is between 0.4 and 0.8. The rotational joint clearance exerts a more significant influence on the dynamic characteristics of the executive component at positions farther away from it. The increase in the number of clearances raises the vibration frequency of the manipulator during deployment

which deteriorates the stability of the deployment process. Therefore

the selection of appropriate structural parameters and materials is crucial. The research findings can provide a reference for the research and structural optimization of space deployable manipulators.

关键词

Keywords

references

王汝贵，金聪，杨泽慧 . 仿象鼻螺旋形折展机构设计与应用研究［J］. 机械传动， 2023 ， 47 （ 9 ）： 74 - 80 .

Wang Rugui ， Jin Cong ， Yang Zehui . Design and application of an elephant trunk-like spiral deployable mechanism ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 9 ）： 74 - 80 .

韩博，杨名，骆明炎，等 . 单驱动空间可展开变胞捕获机械手设计与分析［J］. 机械工程学报， 2025 ， 61 （ 1 ）： 30 - 43 .

Han Bo ， Yang Ming ， Luo Mingyan ， et al . Design and analysis of single-drive space deployable metamorphic capture manipulator ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2025 ， 61 （ 1 ）： 30 - 43 .

曹启迪 . 面向大型目标抓取的三棱柱桁架式可展开机械手设计［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019 ： 2019002713 .

Cao Qidi . Design of triangular prism truss deployable manipulator for large-scale target grasping ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2019 ： 2019002713 .

金国光，何升，魏展，等 . 含多关节间隙平面柔性六杆机构的动力学分析［J］. 天津工业大学学报， 2024 ， 43 （ 4 ）： 75 - 81 .

Jin Guoguang ， He Sheng ， Wei Zhan ， et al . Dynamic analysis of planar flexible six-bar mechanism with multi-joint clearances ［J］. Journal of Tiangong University ， 2024 ， 43 （ 4 ）： 75 - 81 .

白争锋，牛余新，崔乐文，等 . 考虑不确定参数的含间隙柔性机械臂非概率可靠性分析［J］. 力学学报， 2025 ， 57 （ 1 ）： 224 - 236 .

Bai Zhengfeng ， Niu Yuxin ， Cui Lewen ， et al . Non-probabilistic reliability analysis of flexible manipulator with joint clearance and uncertain parameters ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics ， 2025 ， 57 （ 1 ）： 224 - 236 .

邱雪松，任志博，桂朋，等 . 含多间隙柔性可展帆板动力学建模及仿真［J］. 宇航学报， 2018 ， 39 （ 7 ）： 724 - 731 .

Qiu Xuesong ， Ren Zhibo ， Gui Peng ， et al . Dynamic modeling and simulation of a flexible deployable solar array with multiple clearances ［J］. Journal of Astronautics ， 2018 ， 39 （ 7 ）： 724 - 731 .

李金玉 . 考虑混合间隙的机构动力学研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2017 .

Li Jinyu . Research on dynamic characteristics of mechanism with mixed joint clearances ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2017 .

王铁成，陈国平，马方，等 . 含混合间隙多体系统动力学分析［J］. 振动与冲击， 2016 ， 35 （ 9 ）： 178 - 183 .

Wang Tiecheng ， Chen Guoping ， Ma Fang ， et al . Dynamic analysis of multibody systems with mixed clearance ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2016 ， 35 （ 9 ）： 178 - 183 .

时兵，金烨 . 面向虚拟样机的机构间隙旋转铰建模与动力学仿真［J］. 机械工程学报， 2009 ， 45 （ 4 ）： 299 - 303 .

Shi Bing ， Jin Ye . Dynamic simulation and modeling of revolute clearance joint for virtual prototyping ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2009 ， 45 （ 4 ）： 299 - 303 .

Miao H H ， Li B ， Liu J ， et al . Effects of revolute clearance joint on the dynamic behavior of a planar space arm system ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part G：Journal of Aerospace Engineering ， 2019 ， 233 （ 5 ）： 1629 - 1644 .

Marques F ， Isaac F ， Dourado N ， et al . A study on the dynamics of spatial mechanisms with frictional spherical clearance joints ［C］// Volume 6：12th International Conference on Multibody Systems，Nonlinear Dynamics，and Control . American Society of Mechanical Engineers ， 2016 ： V006T09A012 .

王旭鹏 . 含间隙铰链机构非线性接触力和碰撞动力学研究［D］. 西安：西北工业大学， 2016 .

Wang Xupeng . Research on nonlinear contact forces and impact dynamics of mechanism with clearance joints ［D］. Xi’an ： Northwestern Polytechnical University ， 2016 .

金国光，侯旭睿，魏展，等 . 考虑运动副间隙的平面连杆机构动力学分析［J］. 机械传动， 2022 ， 46 （ 9 ）： 59 - 66 .

Jin Guoguang ， Hou Xurui ， Wei Zhan ， et al . Dynamic analysis of planar linkage mechanism considering the clearance of kinematic pair ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2022 ， 46 （ 9 ）： 59 - 66 .

姚廷强，陈锐搏，王立华，等 . 考虑三维圆柱铰间隙碰撞的空间机构柔性多体动力学分析方法［J］. 振动与冲击， 2021 ， 40 （ 1 ）： 297 - 307 .

Yao Tingqiang ， Chen Ruibo ， Wang Lihua ， et al . Flexible multi-body dynamic analysis method of spatial mechanisms considering 3-D cylindrical hinge clearance collision ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2021 ， 40 （ 1 ）： 297 - 307 .

李园园 . 考虑多间隙的多体系统动力学分析及可靠性优化设计［D］. 南京：南京航空航天大学， 2017 ： 12 - 38 .

Li Yuanyuan . Dynamics analysis and reliability optimization design of multibody systems with multiple clearances ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2017 ： 12 - 38 .

阎绍泽，陈鹿民，季林红，等 . 含间隙铰的机械多体系统动力学模型［J］. 振动工程学报， 2003 ， 16 （ 3 ）： 290 - 294 .

Yan Shaoze ， Chen Lumin ， Ji Linhong ， et al . Dynamic modeling of multibody system with clearance joints ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 2003 ， 16 （ 3 ）： 290 - 294 .

梁豪 . 含间隙曲柄滑块机构的动力学特性分析［D］. 成都：西南交通大学， 2022 ： 10 - 13 .

Liang Hao . Dynamic characteristics analysis of crank-slider mechanism with clearance ［D］. Chengdu ： Southwest Jiaotong University ， 2022 ： 10 - 13 .

Megahed S M ， Haroun A F . Analysis of the dynamic behavioral performance of mechanical systems with multi-clearance joints ［J］. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics ， 2012 ， 7 ： 011002 .

Khemili I ， Romdhane L . Dynamic analysis of a flexible slider-crank mechanism with clearance ［J］. European Journal of Mechanics-A/Solids ， 2008 ， 27 （ 5 ）： 882 - 898 .

Chen Y ， Wu K ， Wu X Z ， et al . Kinematic accuracy and nonlinear dynamics of a flexible slider-crank mechanism with multiple clearance joints ［J］. European Journal of Mechanics-A/Solids ， 2021 ， 88 ： 104277 .

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