CN106313031A

CN106313031A - 一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂

Info

Publication number: CN106313031A
Application number: CN201610887244.5A
Authority: CN
Inventors: 贾英宏; 贾世元; 徐世杰; 冯骁
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2017-01-11

Abstract

本发明涉及一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其包括末端作用器、万向节、控制力矩陀螺群；其中，末端作用器包含有内接体；机械臂的末端作用器与其内接体连接构成新的构型，机械臂的末端作用器固连在万向节的一端，内接体固连在万向节的另一端，在末端作用器上安装一组控制力矩陀螺群，以提供末端作用器运动需要的力矩。本发明的新构型将传统的柱铰关节替换为万向节关节，在相同机械臂关节的情况下增加了空间机械臂的自由度，提高了空间机械臂末端作用器的灵活性。新构型取消了传统的电机驱动，通过在末端作用器上安装控制力矩陀螺装置，驱动末端作用器的运动，基于控制力矩陀螺驱动的空间机械臂在关节处无主动反作用力矩。

Description

一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂

技术领域

本发明涉及一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，属于航天器空间结构设计领域。

背景技术

随着航天任务的日益复杂化，空间机械臂在深空探测、空间站建立及其它在轨服务任务中发挥着重要作用。空间机械臂对航天器的回收、维修和再利用，可以节省大量的人力资源和资金。空间机械臂不再针对单一的空间任务进行设计，未来空间机械臂需要具有执行多种任务的要求，具有一定的通用性。

机械臂设计过程中，特别是对于工业机器人而言，大多执行单一的操作任务，因此设计较为简单，为了提高空间机械臂的灵活性，通常会增加机械臂的自由度数目，对于单自由度的柱铰而言，机械臂自由度数目的增加，必然会导致机械臂关节数目的增加，关节的增加对于末端作用器的位置和姿态而言会存在误差的积累，因此期望在相同关节数目的情况下，获得多的机械臂自由度数目，基于此，本专利设计了万向节连接的空间机械臂末端作用器结构。

在实际应用中，为了方便关节电机对机械臂的驱动，每个关节通常采用单自由度的柱铰连接两个相邻臂杆。此处末端作用器通过两自由度的万向节与其内接体相连，但关节电机不能同时驱动两自由度的万向节关节。另外，关节电机在驱动机械臂时，会对相邻的体产生主动反作用力矩，因此，考虑利用控制力矩陀螺驱动空间机械臂。同关节电机驱动空间机械臂相比较而言，控制力矩陀螺在驱动空间机械臂末端作用器时，能够实现两自由度的末端关节驱动，使机械臂的末端作用器更加灵活，且陀螺驱动的末端作用器万向节结构不会对其内接体产生主动反作用力矩。

发明内容

本发明的目的在于提出一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，主要针对空间机械臂系统的末端作用器灵活性问题及空间机械臂多自由度关节的驱动问题，旨在为空间机械臂的设计提供技术支持，以期在相同数目的机械臂关节的情况下使的机械臂末端作用器具有更高的灵活性。

本发明的一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其包括末端作用器、万向节、控制力矩陀螺群；其中，末端作用器包含有内接体；

机械臂的末端作用器与其内接体连接构成新的构型，机械臂的末端作用器固连在万向节的一端(B端)，内接体固连在万向节的另一端(A端)，在末端作用器上安装一组控制力矩陀螺群，以提供末端作用器运动需要的力矩。

其中，所述的控制力矩陀螺群包括至少三个控制力矩陀螺，最多一般不超过六个。

本发明一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其优点及功效在于：本发明的新构型将传统的柱铰关节替换为万向节关节，在相同机械臂关节的情况下增加了空间机械臂的自由度，提高了空间机械臂末端作用器的灵活性。新构型取消了传统的电机驱动，通过在末端作用器上安装控制力矩陀螺装置(CMGs)，驱动末端作用器的运动，基于控制力矩陀螺驱动的空间机械臂在关节处无主动反作用力矩。

附图说明

图1传统构型下末端作用器与内接体的连接图。

图2本发明方法的末端作用器与内接体的连接图。

图3万向节结构简图。

图4传统构型下的两关节空间机械臂。

图5本发明构型下的两关节空间机械臂。

图中具体标号如下：

1、末端作用器 2、内接体 3、柱铰 4、万向节 5、控制力矩陀螺群

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，为空间机械臂末端作用器与其内接体构成的传统构型，末端作用器通过柱铰与其内接体相连，在柱铰关节上安装有关节电机驱动末端作用器，末端作用器可以实现在xy内平面的运动。本发明一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，如图2所示，为机械臂末端作用器与其内接体构成的新的构型，机械臂的末端作用器1固连在万向节4的一端(B端)，其内接体2固连在万向节4的另一端(A端)，万向节4上不再安装关节电机，而是在末端作用器1上安装控制力矩陀螺群5。万向节4结构简图如图3所示，图3中万向节的A,B端与图2中的A,B端相对应。在通常情况下，万向节是由主动轴和从动轴连接的两个叉头与十字轴组成，运动从主动轴输入，经过万向节后变向后由从动轴输出，主动轴与从动轴的轴线通常是沿某一方向固定的，当主动轴回转一周时从动轴也回转一周。当万向节同空间机械臂末端作用器的内接体固连后，运动输入输出不再是单纯的绕输入输出轴的自转，同时万向节与末端作用器连接的轴以及与末端作用器内接体连接的轴不再区分主动轴和从动轴，此时万向节的应用变为一般意义上的两自由度关节。末端作用器的轴线可以在控制力矩陀螺群的驱动下实现空间多方向的运动，即末端作用器能够实现空间多姿态的运动。

如图3所示，假设在万向节A端不存在输入，十字万向节交叉轴中心存在固定点O，定义惯性参考系Ox₀y₀z₀，Ox₀轴沿AO方向，Oz₀轴沿万向节十字交叉轴的立轴方向，即十字交叉轴轴线方向不变的轴，Oy₀轴是通过右手法则确定的。在万向节十字交叉轴上建立其本体坐标系Ox₁y₁z₁，其中Ox₁轴垂直于万向节十字交叉轴所在平面，Oy₁轴沿十字交叉轴的水平轴，Oz₁轴沿十字交叉轴的立轴方向。建立末端作用器的体坐标系Ox₂y₂z₂，其中Ox₂沿万向节十字交叉轴的水平轴，Oz₂沿末端作用器自旋轴方向，Oy₂轴是通过右手法则确定的。则坐标系Ox₁y₁z₁与惯性系之间的坐标转换关系为(其中，θ₁为末端作用器内接体与万向节之间的转角，θ₂为末端作用器与万向节之间的转角，cos表示余弦函数符号，sin表示正弦函数符号)：

A_{01} = [\begin{matrix} {cosθ}_{1} & - {sinθ}_{1} & 0 \\ {sinθ}_{1} & {cosθ}_{1} & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}],

坐标系Ox₂y₂z₂与Ox₁y₁z₁之间的坐标转换关系为：

A_{12} = [\begin{matrix} 0 & {sinθ}_{2} & {cosθ}_{2} \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & {cosθ}_{2} & - {sinθ}_{2} \end{matrix}],

当末端作用器内接体固定时，末端作用器的角速度为：

{\overset{&RightArrow;}{ω}}_{2} = {\overset{\cdot}{\overset{&RightArrow;}{θ}}}_{1} + {\overset{\cdot}{\overset{&RightArrow;}{θ}}}_{2} = A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1} + Γ_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2}

其中为坐标系Ox₁y₁z₁与Ox₂y₂z₂之间的坐标转换关系，Γ₁和Γ₂分别为万向节两转动轴的方向向量，分别在坐标系Ox₁y₁z₁和Ox₂y₂z₂中表示，

Γ_{1} = [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix}], Γ_{2} = [\begin{matrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}]

对应于广义速率和的广义惯性力分别为：

F_{I 1} = - Γ_{1}^{T} A_{12} {\tilde{ω}}_{2} J_{2} ω_{2} + Γ_{1}^{T} A_{12} J_{2} Γ_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2} A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1} - Γ_{1}^{T} A_{12} J_{2} A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{1} - Γ_{1}^{T} A_{12} J_{2} Γ_{2} {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{2}

F_{I 2} = - Γ_{2}^{T} {\tilde{ω}}_{2} J_{2} A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1} - Γ_{2}^{T} {\tilde{ω}}_{2} J_{2} Γ_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2} + Γ_{2}^{T} J_{2} Γ_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2} A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1} - Γ_{2}^{T} J_{2} A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{1} - Γ_{2}^{T} J_{2} Γ_{2} {\overset{\cdot\cdot}{θ}}_{2}

式中J₂为末端作用器的转动惯量在坐标系Ox₂y₂z₂中的表示。对应于广义速率的广义主动力分别为：

F_{A 1} = Γ_{1}^{T} A_{12} T_{2} = T_{y} {cosθ}_{2} - T_{z} {sinθ}_{2}

F_{A 2} = Γ_{2}^{T} T_{2} = T_{x}

其中T₂＝[T_x T_y T_z]^T为控制力矩陀螺作用于末端作用器的陀螺力矩项。万向节连接的末端作用器动力学方程可以写成如下形式：

M \overset{\cdot\cdot}{q} + X = F_{A}

其中

M = [\begin{matrix} - Γ_{1}^{T} A_{12} J_{2} A_{21} Γ_{1} & - Γ_{1}^{T} A_{12} J_{2} Γ_{2} \\ - Γ_{2}^{T} J_{2} A_{21} Γ_{1} & - Γ_{2}^{T} J_{2} Γ_{2} \end{matrix}]

q＝[θ₁ θ₂]^T，F_A＝[F_A1 F_A2]^T

X＝[X₁ X₂]^T

X_{1} = - Γ_{1}^{T} A_{12} {\tilde{ω}}_{2} J_{2} ω_{2} + Γ_{1}^{T} A_{12} J_{2} Γ_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2} A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1}

X_{2} = - Γ_{2}^{T} {\tilde{ω}}_{2} J_{2} A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1} - Γ_{2}^{T} {\tilde{ω}}_{2} J_{2} Γ_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2} + Γ_{2}^{T} J_{2} Γ_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2} A_{21} Γ_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1}

在通常情况下，实现末端作用器绕两自由度万向节的转动只需要两轴力矩即可，但是由动力学方程可以看出，如果末端作用器本体坐标系中只存在x，y方向的力矩时，在θ₂转动到90°时，y轴方向的陀螺力矩失效，此时末端作用器无法实现绕万向节的两自由度的转动；如果末端作用器本体坐标系中只存在x，z方向的力矩时，在θ₂转动到0°时，z轴方向的陀螺力矩失效，此时末端作用器同样无法实现绕万向节的两自由度的转动；当末端作用器本体坐标系中只存在x，y方向的力矩时，末端作用器绕θ₂的转动失效。因此，要使末端作用器能够在任意情况下实现绕万向节两轴的转动，需要在末端作用器上提供三轴力矩，因此末端作用器上至少需要安装三个控制力矩陀螺才能实现对机械臂的有效控制。

如图4所示，当卫星本体在空间中固定时，由柱铰连接的两关节机械臂可以实现空间两自由度的操作，此时末端作用器能够实现在yz平面的运动，关节电机在驱动末端作用器时会对其相邻的臂杆产生反作用主动力矩。如图5所示，当星本体在空间中固定时，由万向节连接的两臂杆可以实现在空间中的三自由度的操作，此时末端作用器能够实现空间任意平面的运动，同柱铰连接的机械臂相比较具有更好的灵活性，即所设计的空间机械臂构型在相同关节数目的条件下能够增加机械臂的自由度，使机械臂末端作用器具有更好的灵活性，同时采用控制力矩陀螺驱动末端作用器，在末端作用器的内接体上不会产生主动反作用力矩。

Claims

1.一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其特征在于：所述的机械臂包括末端作用器、万向节、控制力矩陀螺群；其中，末端作用器包含有内接体；

机械臂的末端作用器与其内接体相连，机械臂的末端作用器固连在万向节的一端，内接体固连在万向节的另一端，在末端作用器上安装一组控制力矩陀螺群，以提供末端作用器运动需要的力矩。

2.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其特征在于：所述的控制力矩陀螺群包括至少三个控制力矩陀螺，最多不超过六个。