CN110217411A - 一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，应用于处于预定轨道的空间机器人平台；本发明的方法为首先完成与待抓捕空间碎片的逼近；测出空间碎片的转动惯量主轴；使用带有粘附材料的末端器粘附抓捕空间碎片；通过展开可折叠机械臂，使空间机器人平台和空间碎片之间的距离增加，提高整个组合体的转动惯量来进行消旋；借助空间机器人平台上的喷气姿控系统进行进一步的消旋；最后收紧机械臂，回收空间碎片；本发明能够对空间碎片进行安全的接触式消旋处理，此外，通过展开可折叠机械臂能够提高喷气力消旋的力臂，可减少能源消耗，本发明可用于空间碎片的消旋和回收，也可用于其它旋转目标的消旋及控制。

Description

一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，可应用于翻滚空间碎片的消旋和清理，属于航天领域的空间在轨服务技术。

背景技术

随着人类对外太空的探索活动不断增加，在带来巨大效益的同时也对近地轨道环境产生了持续深远的影响。例如，残留的火箭末级、废弃卫星、航天器碰撞衍生物等大量空间碎片对世界各国航天事业的发展构成了巨大威胁。大量空间碎片长时间处于失控状态，受重力梯度、太阳光压等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现极其复杂的旋转运动。因此，对空间碎片进行主动清除是一件迫在眉睫且极具挑战的任务。随着人工智能、机器视觉的飞速发展，空间机械臂越来越多地被应用到在轨服务领域。使用空间机械臂进行空间碎片清除的过程通常包括：接近、捕获、消旋和回收，其中捕获与消旋过程为空间碎片清理关键环节。针对空间碎片高速翻滚，为避免对机械臂末端器的损坏，必须对空间碎片进行消旋处理。目前，对于空间机械臂抓捕而言，主要采取诸如电磁消旋、涡流消旋等非接触式方法来进行消旋，需要在机械臂末端器上搭载线圈等特殊结构，而且需要消耗大量的能源及时间。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，可用于空间机械臂主动清除翻滚空间碎片，且无需搭载线圈等特殊结构，通过展开可折叠机械臂能够提高喷气力消旋的力臂，可减少能源消耗及时间。

本发明是这样实现的：

一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、空间机器人平台收紧机械臂，并机动至待抓捕空间碎片附近；

步骤二、通过机载的测量系统观测空间碎片的转动惯量主轴，并使机械臂末端器垂直于主转动惯量主轴；

步骤三、将机械臂末端器粘附在空间碎片上，使用机械臂末端器上粘附层抓捕空间碎片；

步骤四、展开可折叠机械臂，使空间机器人平台和空间碎片之间的距离增加，提高整个组合体的转动惯量进行消旋；该步骤通过展开可折叠机械臂使空间碎片初步消旋

步骤五、借助空间机器人平台上的喷气姿控系统进一步的消旋；

步骤六、收紧机械臂，回收空间碎片，完成整个消旋及回收过程。

进一步，所述的步骤二具体为：

2.1，首先通过机载的测量系统测出空间碎片的各转动惯量主轴，并测出其中角速度最大的一个惯量主轴，即主转动惯量主轴；

2.2，以空间碎片的三个惯量主轴建立局部坐标系O_TX_TY_TZ_T，再将主转动惯量主轴定义为该局部坐标系中的O_TY_T轴，同时以空间机器人的三个惯量主轴建立局部坐标系O_BX_BY_BZ_B，并使机械臂末端器法向O_BZ_B垂直于空间碎片的主转动惯量主轴。

将机械臂末端器粘附在空间碎片上，使用机械臂末端器上粘附层抓捕空间碎片；开始捕获时，将末端器粘附在空间碎片的相应位置。此时，主转动惯量主轴上的旋转会带动空间机器人平台本体发生大幅度转动，另外两个方向的旋转会引起空间机器人平台小幅转动。因此，对空间碎片的消旋处理主要集中在消除绕主转动惯量主轴O_TY_T轴上的旋转。

进一步，随着可折叠机械臂的展开，空间机器人和空间碎片组合体的整体惯量会逐步增加，基于角动量守恒定律会使得组合体在以O_TY_T和O_TX_T为轴的角速度显著下降。大部分可折叠机械臂均采用轻质材料且内部中空，与空间机器人本体和空间碎片的质量相比，其质量可忽略不计。因此，步骤四具体为：

4.1，将该机械臂视作一根无质量刚性杆，整个空间机器人及空间碎片组合体简化为一个无质量杆连接两个刚体的模型，以组合体的三个惯量主轴建立坐标系O_SX_SY_SZ_S；

4.2，假设机械臂抓捕后不影响空间碎片各轴的转动方向，则基于角动量守恒定律，可得出如下方程：

J_Tω_T＝J_Sω_S (1)

其中ω_T＝[ω_Tx ω_Ty ω_Tz]^T和ω_S＝[ω_Sx ω_Sy ω_Sz]^T分别为空间碎片的初始角速度和抓捕后组合体的角速度，J_T＝diag[J_Tx J_Ty J_Tz]为空间碎片绕自身各惯量主轴的转动惯量；J_S为组合体绕自身惯性主轴的转动惯量，可写作：

J_S＝diag[J_Sx J_Sy J_Sz] (2)

其中为空间机器人绕自身惯性主轴的转动惯量，m＝[m_B m_T]^T为空间机器人和空间碎片的质量，r＝[r_B r_T]^T为空间机器人质心和空间碎片质心到O_S的距离；

4.3，由公式(1)和(2)可得组合体的角速度：

因此，随着折叠机械臂的伸长L逐步增加，r_B和r_T也会相应增加，根据公式(3)可知，旋转角速度ω_Sx和ω_Sy会逐步减少。

进一步，所述的步骤五具体为：待可折叠机械臂完全展开后，通过空间机器人平台上的喷气姿态控制系统进一步对组合体进行消旋；基于角动量定律，可得：

∫M_Sdt＝J_sω_s (4)

由于

M_S为喷气力施加在组合体上的力矩，F_S为喷气力且l_B为组合体上喷气力到O_BO_T的距离，因此，M_S为一个常量，公式(4)可以改写为：

M_St_S＝J_sω_s (6)

其中t_S＝[t_Sx t_Sy t_Sz]^T为各轴上喷气消旋的时间；

将公式(5)代入到公式(6)可得：

与固定长度机械臂相比，在喷气力F_S恒定的情况下，由于力臂r_B的增加，使力矩M_S增大，减少整个消旋阶段的时间及能源。

与其它的空间碎片消旋方式相比，具有如下显著优点：

1.可折叠机构收放方便、节省空间、便于机动；

2.利用增加组合体转动惯量进行消旋是一种安全、快速、经济的消旋方式；

3.折叠机械臂展开后可增加喷气消旋的力臂，可节省能源消耗；

4.本发明利用空间折叠机械臂进行空间碎片的消旋处理在国内外尚无先例，实属创举；

5.本发明能够对空间碎片进行安全的接触式消旋处理，可用于空间碎片的消旋和回收，也可用于其它旋转目标的消旋及控制。

附图说明

图1是空间机器人平台和空间碎片的模型示意图；

图2是本发明基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法的整体流程图；

图3是空间机器人平台在消旋过程中机械臂完全展开的示意图；

图4是基于图3中的空间机器人平台和空间碎片组合体的简化模型示意图；

其中，1-空间机器人平台本体；2-太阳能帆板；3-可折叠机械臂；4-机械臂末端器；5-粘附层；6-喷管组；7-空间碎片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1是空间机器人平台和空间碎片的模型示意图，空间机器人平台本体1的两侧设置有太阳能帆板2，所述的空间机器人平台本体还设置有若干喷管组6,在空间机器人平台本体1的依次前端设置可折叠机械臂3、机械臂末端器4，在所述的机械臂末端器前端设置粘附层5，该机械臂末端器4带有粘附材料，使用机械臂末端器4粘附抓捕空间碎片7。

现结合附图2-4对本发明一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法进行叙述，图2为本发明基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法的整体流程图，具体为：

1)空间机器人平台机动逼近待捕获空间碎片。在捕获开始前，空间机器人平台的折叠机械臂处于收紧状态，以便于机动及对准抓取，如图1所示。

2)首先通过观测系统测出空间碎片的各转动惯量主轴，并测出其中角速度最大的一个惯量主轴，称为主转动惯量主轴。对空间碎片的消旋主要是针对绕主转动惯量主轴旋转的消旋。以空间碎片的三个惯量主轴建立局部坐标系O_TX_TY_TZ_T。再将主转动惯量主轴定义为该局部坐标系中的O_TY_T轴。同时以空间机器人的三个惯量主轴建立局部坐标系O_BX_BY_BZ_B，并使机械臂末端器法向O_BZ_B尽量垂直于空间碎片的主转动惯量主轴。空间机器人平台和空间碎片的局部坐标系可见图3。

3)开始捕获时，将末端器粘附在空间碎片的相应位置。此时，主转动惯量主轴上的旋转会带动空间机器人平台本体发生大幅度转动，另外两个方向的旋转会引起空间机器人平台小幅转动。因此，对空间碎片的消旋处理主要集中在消除绕主转动惯量主轴O_TY_T轴上的旋转。

4)展开可折叠机械臂。随着可折叠机械臂的展开，空间机器人和空间碎片组合体的整体惯量会逐步增加，基于角动量守恒定律会使得组合体在以O_TY_T和O_TX_T为轴的角速度显著下降。完全展开的空间机器人和空间碎片组合体示意图可见图3～4，图4是图3中的空间机器人平台和空间碎片组合体的简化模型示意图。

大部分可折叠机械臂均采用轻质材料，且内部中空，与空间机器人本体和空间碎片的质量相比，其质量可忽略不计。因此，可将该机械臂视作一根无质量刚性杆。那么，整个空间机器人及空间碎片组合体即可简化为一个无质量杆连接两个刚体的模型，且组合体的三个惯量主轴交汇在无质量杆上。以组合体的三个惯量主轴建立坐标系O_SX_SY_SZ_S。

假设机械臂抓捕后不影响空间碎片各轴的转动方向，则基于角动量守恒定律，可得出如下方程：

J_Tω_T＝J_Sω_S (1)

其中ω_T＝[ω_Tx ω_Ty ω_Tz]^T和ω_S＝[ω_Sx ω_Sy ω_Sz]^T分别为空间碎片的初始角速度和抓捕后组合体的角速度，J_T＝diag[J_Tx J_Ty J_Tz]为空间碎片绕自身各惯量主轴的转动惯量，J_S为组合体绕自身惯性主轴的转动惯量，可写作：

J_S＝diag[J_Sx J_Sy J_Sz] (2)

其中J_B＝diag[J_Bx J_By J_Bz]为空间机器人绕自身惯性主轴的转动惯量，m＝[m_B m_T]^T为空间机器人和空间碎片的质量，r＝[r_Br_T]^T为空间机器人质心和空间碎片质心到O_S的距离。

由公式(1)和(2)可得组合体角速度：

因此，随着折叠机械臂的伸长L逐步增加，r_B和r_T也会相应增加，根据公式(3)可知，旋转角速度ω_Sx和ω_Sy会逐步减少。

5)待可折叠机械臂完全展开后，通过空间机器人平台上的喷气姿态控制系统进一步对组合体进行消旋。基于角动量定律，可得：

∫M_Sdt＝J_sω_s (4)

由于

为喷气力施加在组合体上的力矩，F_S为喷气力且l_B为组合体上喷气力到O_BO_T的距离。因此，M_S为一个常量，公式(4)可以改写为：

M_St_S＝J_sω_s (6)

其中t_S＝[t_Sx t_Sy t_Sz]^T为各轴上喷气消旋的时间。将公式(5)代入到公式(6)可得：

与固定长度机械臂相比，在喷气力F_S恒定的情况下，由于力臂r_B的增加，使力矩M_S增大，因此会大幅度减少整个消旋阶段的时间及能源。

6)待消旋完成后，收紧折叠机械臂，空间机器人平台机动回收空间碎片。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、空间机器人平台收紧机械臂，并机动至待抓捕空间碎片附近；

步骤二、通过机载的测量系统观测空间碎片的转动惯量主轴，并使机械臂末端器垂直于主转动惯量主轴；

步骤三、将机械臂末端器粘附在空间碎片上，使用机械臂末端器上粘附层抓捕空间碎片；

步骤四、展开可折叠机械臂，使空间机器人平台和空间碎片之间的距离增加，提高整个组合体的转动惯量进行对空间碎片初步消旋；

步骤五、借助空间机器人平台上的喷气姿控系统进一步的消旋；

步骤六、收紧机械臂，回收空间碎片，完成整个消旋及回收过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：

2.1，首先通过机载的测量系统测出空间碎片的各转动惯量主轴，并测出其中角速度最大的一个惯量主轴，即主转动惯量主轴；

2.2，以空间碎片的三个惯量主轴建立局部坐标系O_TX_TY_TZ_T，再将主转动惯量主轴定义为该局部坐标系中的O_TY_T轴，同时以空间机器人的三个惯量主轴建立局部坐标系O_BX_BY_BZ_B，并使机械臂末端器法向O_BZ_B垂直于空间碎片的主转动惯量主轴。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：

4.1，将该机械臂视作一根无质量刚性杆，整个空间机器人及空间碎片组合体简化为一个无质量杆连接两个刚体的模型，以组合体的三个惯量主轴建立坐标系O_SX_SY_SZ_S；

4.2，假设机械臂抓捕后不影响空间碎片各轴的转动方向，则基于角动量守恒定律，可得出如下方程：

J_Tω_T＝J_Sω_S (1)

其中ω_T＝[ω_Tx ω_Ty ω_Tz]^T和ω_S＝[ω_Sx ω_Sy ω_Sz]^T分别为空间碎片的初始角速度和抓捕后组合体的角速度，J_T＝diag[J_Tx J_Ty J_Tz]为空间碎片绕自身各惯量主轴的转动惯量；J_S为组合体绕自身惯性主轴的转动惯量，可写作：

J_S＝diag[J_Sx J_Sy J_Sz] (2)

其中J_Sz＝J_Bz+J_Tz，J_B＝diag[J_Bx J_By J_Bz]为空间机器人绕自身惯性主轴的转动惯量，m＝[m_B m_T]^T为空间机器人和空间碎片的质量，r＝[r_B r_T]^T为空间机器人质心和空间碎片质心到O_S的距离；

4.3，由公式(1)和(2)可得组合体的角速度：

因此，随着折叠机械臂的伸长L逐步增加，r_B和r_T也会相应增加，根据公式(3)可知，旋转角速度ω_Sx和ω_Sy会逐步减少。

4.根据权利要求1所述的一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，所述的步骤五具体为：待可折叠机械臂完全展开后，通过空间机器人平台上的喷气姿态控制系统进一步对组合体进行消旋；基于角动量定律，可得：

∫M_Sdt＝J_sω_s (4)

由于

M_S为喷气力施加在组合体上的力矩，F_S为喷气力且l_B为组合体上喷气力到O_BO_T的距离，因此，M_S为一个常量，公式(4)可以改写为：

M_St_S＝J_sω_s (6)

其中t_S＝[t_Sx t_Sy t_Sz]^T为各轴上喷气消旋的时间；

将公式(5)代入到公式(6)可得：

与固定长度机械臂相比，在喷气力F_S恒定的情况下，由于力臂r_B的增加，使力矩M_S增大，可以减少整个消旋阶段的时间及能源。