CN111874264B - 一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构 - Google Patents

Abstract

一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，包括内套筒、外套筒、2N组麦克纳姆轮驱动机构；2N组麦克纳姆轮驱动机构沿内套筒的周向均匀分布在内套筒和外套筒之间；2N组麦克纳姆轮驱动机构位于同一圆面上，位于同一直径两端的两个麦克纳姆轮驱动机构中的麦克纳姆轮旋向相同，相邻的麦克纳姆轮旋向不同；当位于同一直径两端的两个麦克纳姆轮转向相同且相邻的麦克纳姆轮转向不同时，实现内套筒沿外套筒中心轴线的平移运动；当所有麦克纳姆轮转向相同时，实现内套筒绕外套筒中心轴线旋转运动。本发明引入麦克纳姆轮作为套筒式展开机构动力源，用一种机构实现套筒的展开和旋转两种运动。

Description

一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构

技术领域

本发明涉及一种两自由度套筒式展开机构，属于机械领域。

背景技术

目前，大口径光学载荷受阳光直射问题非常突出，阳光直射一方面导致温度场变化大影响光机结构性能，另一方面引入杂散光及热辐射，尤其是对微光通道和红外成像通道造成干扰，导致系统在轨可工作时段大为缩减，无法实现连续观测和监视。因此就需要遮光罩遮挡阳光，一般遮光罩前端具有一定倾角，在轨运行过程中，太阳入射方向成周期性变化，需要倾角方向随着太阳入射角方向变化，传统方案需要星体频繁调整姿态，这就导致了星体消耗燃料多，姿态稳定时间长，有效成相时间短。传统的刚性遮光罩已经不能满足载荷对发射包络和质量的需求，迫切需要在大收纳比、可旋转上出现突破性进展。

目前，可展开可旋转的遮光罩方案大都通过两套不同的机构分别实现遮光罩的旋转和展开功能，机构旋转需借助大口径轴承，机构组成复杂，重量高，可靠性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明基于麦克纳姆轮全方位移动特性，提出了一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，作为新型的可展开可旋转的相机遮光罩。相比传统相机遮光罩(不可旋转)，具有可展开可旋转的优点，且系统均采用成熟通用的组件产品和结构件，易于工程实现，为航天器天相机遮光罩设计提供了一种新的思路。本发明解决了需要通过整星调姿避免阳光直射、杂散光及热辐射，使航天器只需旋转遮光罩即可实现相机避光，能够提高相机性能、延长相机有效成像时间。

本发明所采用的技术方案是：一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，包括内套筒、外套筒、2N组麦克纳姆轮驱动机构，N为正整数；2N组麦克纳姆轮驱动机构沿内套筒的周向均匀分布在内套筒和外套筒之间；2N组麦克纳姆轮驱动机构位于同一圆面上，位于同一直径两端的两个麦克纳姆轮驱动机构中的麦克纳姆轮旋向相同，相邻的麦克纳姆轮旋向不同；当位于同一直径两端的两个麦克纳姆轮转向相同且相邻的麦克纳姆轮转向不同时，实现内套筒沿外套筒中心轴线的平移运动；当所有麦克纳姆轮转向相同时，实现内套筒绕外套筒中心轴线旋转运动。

麦克纳姆轮驱动机构包括驱动电机、活动板、驱动电机支架、联轴器、滚动轴承、固定板、麦克纳姆轮、直线轴承、导向杆、预紧弹簧；

固定板为方形框架结构，内套筒上沿周向设置若干麦克纳姆轮驱动机构安装孔，固定板安装在内套筒内壁上且位于麦克纳姆轮驱动机构安装孔处，固定板与内套筒内壁之间形成安装空间；

驱动电机通过驱动电机支架安装在活动板上，麦克纳姆轮的转动轴两端通过滚动轴承和轴承座安装在活动板上；驱动电机输出轴通过联轴器与麦克纳姆轮的转动轴相连，驱动麦克纳姆轮运动；各导向杆通过直线轴承安装在活动板四角，活动板通过导向杆安装在固定板内，活动板沿导向杆做直线运动；预紧弹簧安装在各导向杆上，位于活动板底面和固定板之间，麦克纳姆轮从麦克纳姆轮驱动机构安装孔中伸出，预紧弹簧将麦克纳姆轮压在外套筒的内壁上。

麦克纳姆轮驱动机构还包括支撑球、球座，滚动轴承的轴承座上分别设置球座，球座顶端安装支撑球，球座从麦克纳姆轮驱动机构安装孔中伸出，预紧弹簧将支撑球压在外套筒的内壁上。

内套筒包括底部铝合金支撑框和上部套筒，上部套筒材料为遮光黑色聚酰亚胺材料。

N＝2；第一麦克纳姆轮、第三麦克纳姆轮为右旋，第二麦克纳姆轮、第四麦克纳姆轮为左旋；从Z轴正向看，当第二麦克纳姆轮、第四麦克纳姆轮逆时针旋转，第一麦克纳姆轮、第三麦克纳姆轮顺时针旋转时，内套筒竖直向上运动；当第二麦克纳姆轮、第四麦克纳姆轮逆时针旋转，第一麦克纳姆轮、第三麦克纳姆轮逆时针旋转时，内套筒绕轴线旋转。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)基于麦克纳姆轮在圆柱面上的全方位移动，本发明提出一种可靠性较高、实现方式较为简单、驱动支撑一体化的旋转遮光罩，避免整星频繁调姿，提高了相机的有效成像时间；

(2)本发明优化麦克纳姆轮的位置布置和运动轨迹，将目前麦克纳姆轮组合的全方位移动由平面扩展到圆柱面；引入麦克纳姆轮作为套筒式展开机构动力源，用一种机构实现套筒的展开和旋转两种运动；

(3)本发明刚度高。通过在麦克纳姆轮两侧增加可以自由转动的球运动副进行支撑，上下布置的球运动副一方面可以提高机构的侧向刚度，另一方面，由于球可以在任意方向转动，不会影响机构的平移和旋转。

(4)本发明体积小。机构沿轴线布置，径向空间只需布置麦克纳姆轮和预紧弹簧，目前包络Φ500×800mm的样机，可以克服4.875kg的机构自重进行旋转和平移，功率需求仅为2.65w，在空间中，机构只需克服电缆阻力(远小于样机自重)，样机的机构方案完全可以驱动Φ3m的相机遮光罩，则遮光罩的包络只需Φ3.2m的即可，机构体积小，套筒内部有效视场空间大。

(5)本发明基于地面上常用的麦克纳姆轮全方位移动平台的发展，本发明克服了传统的用两套机构分别实现旋转和展开功能的设计思路，利用本发明只需配备一套机构即可实现展开和旋转两种功能，机构构型简单，重量轻，可靠性高，可有效节约整星重量、延长相机的有效成像时间。

附图说明

图1为本发明中麦克纳姆轮辊子的旋向和转向组合的示意图；

图2为本发明的基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构的构型图；

图3为本发明中麦克纳姆轮驱动机构的安装示意图；

图4为本发明中麦克纳姆轮驱动机构的组成示意图；

图5为本发明中球座、预紧弹簧及导向杆示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。

本发明一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，通过不同的麦克纳姆轮辊子的旋向和转向的组合，实现圆柱面内的旋转和沿轴线的平移。

分别对3个、4个麦克纳姆轮进行布局，均采用沿圆周均布的方式，当麦克纳姆轮个数为3时，共有8种构型，64种运动方案。当麦克纳姆轮个数为4时，共有16种构型，256种运动方案。

对两种数量的麦克纳姆轮组进行受力分析，当3个麦克纳姆轮中有一个轮旋向与其他两个不同，且旋向相同的两个轮转向相同，有一个轮子与其他两个轮转向相反时，机构可以实现向上运动，但是会附加沿圆柱径向的推力，使各个轮子受力不均匀，不是理想的运动状态。

当4个麦克纳姆轮中，相对的两个轮子旋向相同、转向相同时，轮组内只有沿轴向运动的力，而不存在其他分力；同一构型下，同时改变相对的两个轮子的转向，轮组内只存在沿套筒轴线的扭矩，而不存在其他分力；即实现麦克纳姆轮系沿圆柱轴线的移动和绕轴线的转动。

由上述两种数量的麦克纳姆轮组的受力分析可知，当麦克纳姆轮的个数为奇数时，由于无法消除非运动方向的分力，不是套筒展开的理想布置方案。当麦克纳姆轮的个数为偶数时，相对的两个轮子旋向相同，相邻的两个轮子旋向不同：当相对的两个轮子转向相同，且相邻的轮子转向不同时，可以实现沿轴线的平移运动；当所有轮子转向相同时，可以实现沿轴线的旋转运动。

本发明中采用4个麦克纳姆轮的方案，麦克纳姆轮辊子的旋向和转向的组合如图1：第一麦克纳姆轮10-1、第三麦克纳姆轮10-3为右旋，第二麦克纳姆轮10-2、第四麦克纳姆轮10-4为左旋；从Z轴正向看，当第二麦克纳姆轮10-2、第四麦克纳姆轮10-4逆时针旋转，第一麦克纳姆轮10-1、第三麦克纳姆轮10-3顺时针旋转时，内套筒1竖直向上运动；当第二麦克纳姆轮10-2、第四麦克纳姆轮10-4逆时针旋转，第一麦克纳姆轮10-1、第三麦克纳姆轮10-3逆时针旋转时，内套筒1绕轴线旋转。

如图2～5所示，本发明一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，包括带斜切缝的内套筒1、外套筒2以及四个麦克纳姆轮驱动机构3，四个麦克纳姆轮驱动机构3通过固定板9连接在内套筒1上，并通过预紧弹簧15将麦克纳姆轮机构3预压在外套筒上，预紧弹簧15提供麦克纳姆轮机构3带动内套筒1运动的摩擦力，通过四个麦克纳姆轮3不同的旋向和转向的组合如图1，实现内套筒1相对外套筒2的旋转和沿轴线平移。

其中，麦克纳姆轮驱动机构由驱动电机4、活动板5、驱动电机支架6、联轴器7、滚动轴承8、固定板9、麦克纳姆轮10、直线轴承11、支撑球12、球座13、导向杆14、预紧弹簧15组成。

固定板9为方形框架结构，内套筒1上沿周向设置若干麦克纳姆轮驱动机构安装孔，固定板9安装在内套筒1内壁上且位于麦克纳姆轮驱动机构安装孔处，固定板9与内套筒1内壁之间形成安装空间；驱动电机4通过驱动电机支架6安装在活动板5上，麦克纳姆轮10的转动轴两端通过滚动轴承8和轴承座安装在活动板5上；驱动电机4输出轴通过联轴器7与麦克纳姆轮10的转动轴相连，驱动麦克纳姆轮10运动；

麦克纳姆轮驱动机构3中，固定板9固定在内套筒1上，麦克纳姆轮10、滚动轴承8、直线轴承11、驱动电机4固定在活动板5上，活动板5通过直线轴承11支撑在固定于固定板9上的导向杆14上，并由套在导向杆14上的预紧弹簧15预紧在外套筒2内壁上，麦克纳姆轮10轴线两侧对称的布置一对支撑球12，支撑球12和麦克纳姆轮10同时和外套筒2接触，保证麦克纳姆10轮转动时，机构与外套筒2的接触段足够长，提高机构X、Y方向的刚度，提高机构的抗倾覆能力。

通过固定在内套筒1上的麦克纳姆轮驱动机构3的运动，带动内套筒1沿外套筒2内壁旋转或者沿轴线平移，实现内套筒1旋转对日定向，为相机遮挡阳光。

内套筒1由底部铝合金支撑框和上部轻质遮光黑色聚酰亚胺材料构成。

对于目前包络Φ500×800mm的样机，麦克纳姆轮驱动机构3的总重量约为4.875kg，为保证机构不运动时具有保持在原位置的能力，预紧弹簧15至少应提供4.875×9.8＝47.78N的向上的摩擦力，则机构匀速展开时机构向上的推力为F_展＝9.8×4.875+47.78＝95.55N。当机构绕外套筒2轴线旋转时，预紧弹簧15应提供4.875×9.8＝47.78N的向上的摩擦力以保证机构在竖直方向的位置稳定，由于样机麦克纳姆轮辊子的角度为45°，当单个预紧弹簧15产生(1.2+0.075÷4)×9.8＝11.94N向上的摩擦力时，同时附加11.94N水平方向的摩擦力，即机构匀速旋转时需要的驱动力为F_旋＝11.94×4＝47.78N。样机麦克纳姆轮10的直径D为60mm，则单个麦克纳姆轮10驱动轴上的驱动扭矩：T＝F_展×D/2＝95.55÷4×0.03＝0.71N·m，设机构旋转360°用时30s，则单个麦克纳姆轮10的平均转速为n＝10rpm，另外考虑到多级减速器的效率为40％，因此电机的驱动功率需求为P＝0.71×10/9.55/0.4＝1.86w。对于单个麦克纳姆轮驱动机构，预紧机构为产生11.95N向上的摩擦力，同时会附加11.95N水平方向的摩擦力，则共需克服

的摩擦力，同时，展开时还需克服11.95N的重力，则驱动电机共需提供

的驱动力，为了保证工作过程中，驱动电机的安全，因此，麦克纳姆轮系的驱动力应大于应提供的驱动力，即T1＝33.78×0.03＝1.01Nm，则麦克纳姆轮系的实际驱动功率应为P1＝1.01×10/9.55/0.4＝2.65w。

本发明说明书中未详细说明的部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，其特征在于，包括内套筒(1)、外套筒(2)、2N组麦克纳姆轮驱动机构(3)，N为正整数；2N组麦克纳姆轮驱动机构(3)沿内套筒(1)的周向均匀分布在内套筒(1)和外套筒(2)之间；2N组麦克纳姆轮驱动机构(3)位于同一圆面上，位于同一直径两端的两个麦克纳姆轮驱动机构(3)中的麦克纳姆轮(10)旋向相同，相邻的麦克纳姆轮(10)旋向不同；当位于同一直径两端的两个麦克纳姆轮(10)转向相同且相邻的麦克纳姆轮(10)转向不同时，实现内套筒(1)沿外套筒(2)中心轴线的平移运动；当所有麦克纳姆轮(10)转向相同时，实现内套筒(1)绕外套筒(2)中心轴线旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，其特征在于，麦克纳姆轮驱动机构包括驱动电机(4)、活动板(5)、驱动电机支架(6)、联轴器(7)、滚动轴承(8)、固定板(9)、麦克纳姆轮(10)、直线轴承(11)、导向杆(14)、预紧弹簧(15)；

固定板(9)为方形框架结构，内套筒(1)上沿周向设置若干麦克纳姆轮驱动机构安装孔，固定板(9)安装在内套筒(1)内壁上且位于麦克纳姆轮驱动机构安装孔处，固定板(9)与内套筒(1)内壁之间形成安装空间；

驱动电机(4)通过驱动电机支架(6)安装在活动板(5)上，麦克纳姆轮(10)的转动轴两端通过滚动轴承(8)和轴承座安装在活动板(5)上；驱动电机(4)输出轴通过联轴器(7)与麦克纳姆轮(10)的转动轴相连，驱动麦克纳姆轮(10)运动；各导向杆(14)通过直线轴承(11)安装在活动板(5)四角，活动板(5)通过导向杆(14)安装在固定板(9)内，活动板(5)沿导向杆(14)做直线运动；预紧弹簧(15)安装在各导向杆(14)上，位于活动板(5)底面和固定板(9)之间，麦克纳姆轮(10)从麦克纳姆轮驱动机构安装孔中伸出，预紧弹簧(15)将麦克纳姆轮(10)压在外套筒(2)的内壁上。

3.根据权利要求2所述的一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，其特征在于，麦克纳姆轮驱动机构还包括支撑球(12)、球座(13)，滚动轴承(8)的轴承座上分别设置球座(13)，球座(13)顶端安装支撑球(12)，球座(13)从麦克纳姆轮驱动机构安装孔中伸出，预紧弹簧(15)将支撑球(12)压在外套筒(2)的内壁上。

4.根据权利要求3所述的一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，其特征在于，内套筒(1)包括底部铝合金支撑框和上部套筒，上部套筒材料为遮光黑色聚酰亚胺材料。

5.根据权利要求4所述的一种基于麦克纳姆轮的两自由度套筒式展开机构，其特征在于，N＝2；第一麦克纳姆轮(10-1)、第三麦克纳姆轮(10-3)为右旋，第二麦克纳姆轮(10-2)、第四麦克纳姆轮(10-4)为左旋；从Z轴正向看，当第二麦克纳姆轮(10-2)、第四麦克纳姆轮(10-4)顺时针旋转，第一麦克纳姆轮(10-1)、第三麦克纳姆轮(10-3)逆时针旋转时，内套筒(1)竖直向上运动；当第二麦克纳姆轮(10-2)、第四麦克纳姆轮(10-4)逆时针旋转，第一麦克纳姆轮(10-1)、第三麦克纳姆轮(10-3)逆时针旋转时，内套筒(1)绕轴线旋转。

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