随着航天技术的高速发展,探索外太空的活动不断深入。人类已在太空中建立空间站用于服务人类以及更好探索外太空。空间机械臂作为空间站在轨服务中重要组成部分之一,具有精度高、质量轻、耗能少等特点。空间机械臂由多个臂杆组成,并通过运动副相互连接。由于需要保证臂杆在微重力环境下能够进行正常的相对运动,考虑到制造、装配误差以及摩擦磨损等原因,运动副关节处的间隙是不可避免的。间隙的存在使得机构的运动存在不确定性,间隙关节处发生的构件碰撞可能会引起机构振动,影响系统运动轨迹与定位精度,严重时可能会导致系统瘫痪。本文在间隙关节处建立三维碰撞力模型,对含间隙关节的空间机械臂进行了动力学分析。首先,为了更加准确地描述间隙关节内的碰撞过程,基于间隙关节二维碰撞力模型,考虑三维径向碰撞和轴向碰撞因素,建立含间隙关节的空间机械臂动力学方程。使用Fortran语言编写了间隙碰撞力计算程序,并在ADAMS软件中调用所计算的碰撞力进行仿真分析,采用此方法可较为方便地研究多个间隙关节对系统的影响。其次,基于开发的仿真模块,使用曲柄滑块模型验证仅考虑二维碰撞模型时仿真结果的正确性。分析仅考虑二维间隙关节碰撞模型时,间隙位置对空间机械臂系统的位姿、末端运动、碰撞力等参数的影响,并分析了双间隙关节耦合作用下,间隙大小对机械臂动力学性能的影响。最后,考虑三维碰撞力,分析不同间隙位置对空间机械臂动力学的影响;分析含双间隙关节机械臂系统的动力学响应,分析三维径向间隙对含双间隙关节空间机械臂动力学特性的影响;考虑关节的轴向间隙,分析轴向和径向间隙对空间机械臂动力学特性影响。通过对间隙关节的三维碰撞力的建模和仿真分析可以看出,三维间隙对空间机械臂的动力学性能、卫星姿态等均有显著的影响。在对机械臂进行建模时应当考虑运动副的三维间隙,从而获得较为准确的计算结果,保证机械臂的运动精度和稳定性。