CN109573117B - 一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置 - Google Patents

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Abstract

一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，包括底座、机械臂和目标模拟器。机械臂基座固定在底座上，末端设计有球轴承，机械臂通过球轴承支撑起目标模拟器；目标模拟器用于模拟空间碎片六自由度的微重力运动特性，并实时采集自身的位置姿态数据反馈给机械臂；机械臂根据目标模拟器反馈的自身位置姿态数据，实时调整各关节的运动速度和末端球轴承位置，实现对目标模拟器速度、位置和姿态控制的地面演示验证。本发明能够对大体积大质量空间目标在空间六自由度的微重力运动特性进行模拟，能够实现对多臂联合操控空间碎片目标的地面演示验证。

Description

一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置
技术领域
本发明涉及一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，属于空间碎片清除领域。
背景技术
空间碎片对人类的空间资源开发活动构成了极大的威胁，为了安全、持续地开发和利用空间资源，就必须想方设法寻求控制、减缓空间碎片的有效措施。目前，控制、减缓空间碎片的措施总的归纳起来，主要是预防和治理两种。预防就是在航天器发射和运行过程中，尽可能减少空间碎片的生成，治理就是设法清除轨道上已存在的空间碎片。
空间碎片清除的地面试验方法主要包括抛物线飞行法、水浮法、以及吊丝悬挂方法，传统方法无法应对大体积大质量空间目标在空间六自由度的运动特性的微重力模拟，且无法实现多条机械臂协同运动控制的地面试验，难以实现对多臂联合操控空间碎片目标的地面演示验证。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，能够对大体积大质量空间目标在空间六自由度的微重力运动特性进行模拟，能够实现对多臂联合操控空间碎片目标的地面演示验证。
本发明的技术解决方案是：
一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，包括底座、机械臂和目标模拟器；
机械臂基座固定在底座上，末端设计有球轴承；机械臂通过所述球轴承支撑起目标模拟器；
目标模拟器用于模拟空间碎片六自由度的微重力运动特性，并实时采集自身的位置姿态数据反馈给机械臂；
机械臂：根据目标模拟器反馈的自身位置姿态数据，实时调整各关节的运动速度和末端球轴承位置，实现对目标模拟器速度、位置和姿态控制的地面演示验证。
目标模拟器质心处安装有惯性测量单元，用于实时获取目标模拟器的三维位置和姿态数据。
以目标模拟器质心为原点，建立直角坐标系，所述直角坐标系的每个轴上分别安装一个惯性飞轮，三个惯性飞轮与质心的距离相同，三个惯性飞轮不同的运动组合实现目标模拟器不同的微重力运动特性。
底座通过气浮轴承漂浮在气浮平台之上。
气浮轴承以过底座质心的铅垂线为轴线均匀分布。
机械臂采用二自由度设计。
所述机械臂至少有三条。
各个机械臂以过底座质心的铅垂线为轴线均匀分布。
目标模拟器的质心与底座质心位于同一条铅垂线上。
目标模拟器为立方形、圆柱形或球形。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明结合目标模拟器和机械臂，实现了在地面条件下对空间碎片翻滚的微重力运动模拟，
(2)本发明采用基于气浮的底座设计，实现了大型目标的承载和微重力平动特性，同时实现了目标的平动模拟。结合机械臂对
(3)本发明机械臂末端采用球轴承设计，能够适应机械臂与空间目标接触后的各向运动，通过机械臂的协同运动实现了对大型翻滚目标复杂空间运动的主动操作和被动适应。
(4)本发明机械臂采用二自由度设计，在充分保证目标翻滚过程中质心位置不变的同时，减小了机械臂质量和尺寸，简化了机构复杂性。
附图说明
图1为本发明组成示意图。
具体实施方式
本发明为了解决空间翻滚目标运动特性的地面验证问题，提出了一种基于气浮和末端带球轴承的机械臂的空间目标翻滚特性微重力地面模拟装置。
如图1所示，本发明包括底座1、机械臂2和目标模拟器3。
底座1通过气浮轴承4漂浮在气浮平台之上。气浮轴承4以过底座1质心的铅垂线为轴线均匀分布。机械臂2基座固定在底座1上，末端设计有球轴承；机械臂2通过球轴承支撑起目标模拟器3。
目标模拟器3用于模拟空间碎片六自由度的微重力运动特性，并实时采集自身的位置姿态数据反馈给机械臂2。
具体地，目标模拟器3质心处安装有惯性测量单元31，用于实时获取目标模拟器3的三维位置和姿态数据。以目标模拟器3质心为原点，建立直角坐标系，所述直角坐标系的每个轴上分别安装一个惯性飞轮，三个惯性飞轮32、33、34与质心的距离相同，三个惯性飞轮不同的运动组合实现目标模拟器不同的微重力运动特性。目标模拟器3采用惯性测量单元和飞轮组合实现了空间目标的主动转动和状态测量。
机械臂2：根据目标模拟器3反馈的自身位置姿态数据，实时调整各关节的运动速度和末端球轴承位置，实现对目标模拟器3速度、位置和姿态控制的地面演示验证。
具体地，机械臂2采用二自由度设计。机械臂2至少有三条。各个机械臂2以过底座1质心的铅垂线为轴线均匀分布。图1中示出了3个机械臂A、B、C。
目标模拟器3的质心与底座1质心位于同一条铅垂线上。
本发明装置主要是验证机械臂2及其控制算法对目标模拟器3的控制是否达到预定目标。
应用本发明装置的地面试验方法，步骤如下：
(1)启动机械臂，使其按照预设指令运动到指定位置，并使各个机械臂的末端球轴承旋转至指定姿态；
(2)将目标模拟器放置于机械臂末端球轴承之上，使各个机械臂支撑起目标模拟器；
(3)接通气浮轴承的气路，使底座漂浮在气浮平台之上；
(4)控制目标模拟器内部的惯性飞轮运动，以模拟空间目标的翻滚运动特性，同时机械臂实时读取IMU(惯性测量单元)反馈的位置和姿态数据；
(5)按照预先设计的算法，控制各个机械臂运动，实现对空间目标速度、位置和姿态的控制，完成地面演示验证。
本发明一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，能够对大体积(直径1m以上)大质量(1.5吨以上)空间目标在空间六自由度的微重力运动特性进行模拟，能够实现对多臂联合操控空间碎片目标的地面演示验证。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，其特征在于：包括底座(1)、机械臂(2)和目标模拟器(3)；
机械臂(2)基座固定在底座(1)上，末端设计有球轴承(21)；机械臂(2)通过所述球轴承支撑起目标模拟器(3)；
目标模拟器(3)用于模拟空间碎片六自由度的微重力运动特性，并实时采集自身的位置姿态数据反馈给机械臂(2)；目标模拟器(3)质心处安装有惯性测量单元(31)，用于实时获取目标模拟器(3)的三维位置和姿态数据；以目标模拟器(3)质心为原点，建立直角坐标系，所述直角坐标系的每个轴上分别安装一个惯性飞轮，三个惯性飞轮与质心的距离相同，三个惯性飞轮不同的运动组合实现目标模拟器不同的微重力运动特性；
机械臂(2)：根据目标模拟器(3)反馈的自身位置姿态数据，实时调整各关节的运动速度和末端球轴承位置，实现对目标模拟器(3)速度、位置和姿态控制的地面演示验证；
底座(1)通过气浮轴承(4)漂浮在气浮平台之上；
应用所述装置的地面试验方法，步骤如下：
1)启动机械臂，使其按照预设指令运动到指定位置，并使各个机械臂的末端球轴承旋转至指定姿态；
2)将目标模拟器放置于机械臂末端球轴承之上，使各个机械臂支撑起目标模拟器；
3)接通气浮轴承的气路，使底座漂浮在气浮平台之上；
4)控制目标模拟器内部的惯性飞轮运动，以模拟空间目标的翻滚运动特性，同时机械臂实时读取惯性测量单元反馈的位置和姿态数据；
5)按照预先设计的算法，控制各个机械臂运动，实现对空间目标速度、位置和姿态的控制，完成地面演示验证。
2.根据权利要求1所述的一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，其特征在于：气浮轴承(4)以过底座(1)质心的铅垂线为轴线均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，其特征在于：机械臂(2)采用二自由度设计。
4.根据权利要求3所述的一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，其特征在于：所述机械臂(2)至少有三条。
5.根据权利要求4所述的一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，其特征在于：各个机械臂(2)以过底座(1)质心的铅垂线为轴线均匀分布。
6.根据权利要求1所述的一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，其特征在于：目标模拟器(3)的质心与底座(1)质心位于同一条铅垂线上。
7.根据权利要求1所述的一种空间大型目标翻滚特性微重力模拟装置，其特征在于：目标模拟器(3)为立方形、圆柱形或球形。
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