CN114537711A

CN114537711A - 一种自由度解耦控制的空间盘绕式伸展臂

Info

Publication number: CN114537711A
Application number: CN202210205932.4A
Authority: CN
Inventors: 孙亮; 黄海; 赵旭瑞; 陈泽明; 刘宇; 张策
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2022-05-27

Abstract

本发明将微小卫星空间盘绕式伸展臂技术与主动控制技术进行结合，以实现对伸展臂顶部和底部平台的高精度控制。其中盘绕式伸展臂部分包括三根连续通长纵杆、横架和对角加劲索等部件。主动控制部分由顶部两个框架式旋转平台和底部一个三轴微调平台构成。其中两个舵机位于平台顶部，利用框架式旋转平台来实现水平XY两个方向的转动自由度控制。底部采用光学三轴微调平台的原理控制盘绕式伸展臂整体的XYZ三轴平动。本发明可以对空间盘绕式伸展臂六个整体自由度进行解耦控制，实现对顶部两个转动自由度，底部三个平动自由度的主动控制，减小由展开过程、装配过程和环境因素带来的上下平台之间的静态相对误差，提高盘绕式伸展臂展开后的精度。并且可以用于搭载高精度的光学探测仪器，具有实际的工程和应用价值。

Description

一种自由度解耦控制的空间盘绕式伸展臂

技术领域

本发明涉及一种可实现自由度解耦控制的空间盘绕式伸展臂，属于航天器设计与技术领域。

背景技术

空间盘绕式伸展臂是一种一维的柔性展开机构，具有压缩系数高、质量系数大等优势，可以用作姿态控制的重力梯度稳定部件，载荷支撑平台等。早期的空间盘绕式伸展臂技术应用在卫星对地相机伸展机构、太阳帆支撑机构等任务中，研发技术成熟，应用成功率高。后续的发展中，为了适应卫星搭载探测仪器的需求，且保证接收到的射线粒子的位置都是已知的以绘制清晰的天文图像，必须控制伸展臂的运动在一个极小的范围内，进而引出了对空间盘绕式伸展臂的主动控制技术。本文所述的空间盘绕式伸展臂已经成功完成了在轨展开验证。后续伸展臂将应用于天文观测的载荷搭载平台，这要求伸展臂不仅能成功平稳地完成展开，也要完全展开后保证很高的稳定性。这对柔性展开机构来说是一个巨大的挑战。

本发明研制了一种可施加主动控制的空间盘绕式伸展臂，相比于现有的空间盘绕式伸展机构，极大地提高了展开后的精度。由于自由度解耦控制精度较高，可以在顶部平台上搭载高精度光学仪器，具有实际应用的工程价值。

发明内容

本发明目的在于为空间盘绕式伸展臂提供一种主动控制的方案，使得从顶端平台接收到的光学信号能够精确传输到底部平台的传感器部件中，实现搭载光学探测仪器的任务目标。

所述的顶端平台包括基座、顶部支撑平台、XY方向框架式支架、一个DynamixelRX-64舵机、一个DF9GMS微型舵机和光学平台构成。光学平台尺寸为64mm×64mm×3mm，框架式支架尺寸110mm×110mm×10mm，舵机接受到指令通过输出轴承控制框架式支架的转动，使得光学仪器平台与底部平台接收器对齐。

所述的底部三轴微调平台由步进电机通过滚珠丝杆机构驱动，包括XY方向底座、Y方向运动台面和Z方向运动平台。其中Y方向底座可通过滑块在X方向导轨上滑动，导轨均为标准直线导轨。运动台面与滚珠丝杆机构相连，X方向底座设有螺纹孔，与卫星主体部位相连接。驱动机构包括滚珠丝杆机构与步进电机，滚珠丝杆机构包括相配合的丝杆、丝杆螺母和前后端块，其中丝杆螺母通过转接座与运动台面相连，步进电机连接在底板并固定于底座上。由于考虑到重量最小的设计约束，Z轴定位平台由两个相同的，尺寸和重量较小的滚珠丝杆机构进行驱动，用于控制平台沿Z轴方向的平动。盘绕式伸展臂的底部固定在Z轴定位平台上。根据实际和使用需求还可以设置用于检测运动台面滑动位置的光栅尺以及用于限制运动台面滑动行程的光电行程开关等等。该结构简单紧凑，运动阻尼小精度高，可以高效实现底部平台XYZ三轴方向的平动调节，

所述盘绕式伸展臂的技术方案是：该伸展臂部分包括若干三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索。所述的三角形横架由三角形铰接头和三根钛镍合金短杆共同组成，作用在于为纵杆提供侧向支撑。钛镍合金短杆通过两个M2螺钉固定于V型件上的孔内；连接件可用于固定对角加劲索，并用于限制铰接头的三个位移和两个转动自由度。所述的三角形铰接头由V型件、转接件和螺钉螺母构成。

理论和实验分析可以得知，伸展臂刚度决定了相邻两个三角形横架的节距。盘绕折叠的过程中，三根短杆会发生弯曲并导致对角加劲索发生形变，铰链剩余一个旋转自由度可以保证纵杆屈曲至端点。展开后伸展臂的长度基本与三根纵杆长度一致。其中所述纵杆由钛镍形状记忆合金构成，直径为2mm。所述伸展臂盘绕半径R＝75mm。相邻两个铰接式三角形横架之间的节距应满足几何约束协调，通过对盘绕压缩后特性进行分析可知半节距应小于盘绕半径，展开式对角加劲索两端点距离应大于收拢时距离，节距取值范围应为R<t<2R。

所述主动控制方案与盘绕式伸展臂相结合可以提高展开后的精度，拓展盘绕式伸展臂的适用范围。优点是：以较为简单和紧凑的结构机构实现了高精度的主动控制，且伸展臂本身具有伸缩比、可靠性和刚度较高的特点。

附图说明

图1为本发明整体结构机构示意图；

图2为本发明顶端平台结构机构示意图；

图3为本发明盘绕式伸展臂机构局部示意图；

图4为本发明盘绕式伸展臂铰接式三角横架示意图；

图5为底部三轴微调平台结构机构示意图。

图例说明：

1、顶部平台；10、顶盖；11、X平台框架支座；12、舵机支架13、Dynamixel RX-64舵机；14、联轴器；15、DF9GMS微型舵机；16、光学平台；17、Y平台框架；18、Y平台框架支架；2、盘绕式伸展臂；21、横杆；22、纵杆；23、对角加劲索；24、铰接头；25、连接孔；26、V型件；27、三角横杆；28、M2.5螺纹孔；29、转接件；30、M2螺纹孔；31、光轴57步进电机；3、Z轴定位机构；32、联轴器；33、前端块；34、丝杆轴；35、丝杆螺母；36、连接支座；37、滑块三脚架电机支座；38、Z轴导轨；39、工作台面；4、Y轴定位机构；41、Y轴上台面；42、Y轴导轨；43、110BYG步进电机；44、电机固定板；45、联轴器；46、后挡板；47、Y轴滑块；48、Y轴运动平台；49、丝杆及丝杆螺母；5、X轴定位机构；51、X轴滑块；52、X轴底座；53、110BYG步进电机；54、X轴导轨；55、丝杆螺母

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参阅图1，本发明所述的一种自由度解耦控制的空间盘绕式伸展臂由顶部平台1、盘绕式伸展臂2和底部三轴微调平台构成，其中底部三轴微调平台包括Z轴定位机构3、Y轴定位机构4和X轴定位机构5。顶部平台1通过铰链与盘绕式伸展臂2相连，盘绕式伸展臂2底部固定在Z轴定位机构3工作平面39上。

参阅图2，本发明提供一种对顶部光学平台16的主动控制结构机构。DynamixelRX-64舵机13通过舵机支架12固定于顶盖10上，舵机输出轴通过联轴器14与Y平台框架17连接，控制平台框架沿Y方向的转动。DF9GMS微型舵机15固定在Y平台框架17上，通过联轴器14控制光学平台16沿X轴方向的转动。X平台支座11固定在Y平台框架17上，通过轴承与光学平台16相连。框架支座18固定在顶盖10上，为Y平台框架17提供支撑作用。

所述的盘绕式伸展臂组成布局请参阅图3和图4，所述盘绕式伸展臂的技术方案是：该伸展臂部分包括若干三角形横架、三根纵杆21及若干对角加劲索23。三根纵杆21由钛镍合金构成，弹性较高且弯曲形变能力较强。横架由三根横杆27组成三角形截面，通过铰接头24在三角形截面顶点处互相连接，并与纵杆和对角加劲索进行连接，可以为纵杆提供侧向支撑。对角加劲索23采用不锈钢丝绳，可以限制相邻横架矩形空间对角线位移，承受预应力，收拢时松弛状态，展开时可提高伸展臂抗剪切和抗扭转刚度。

参阅图4，所述的三角形横架由三角形铰接头24和三根钛镍合金短杆27共同组成，作用在于为纵杆提供侧向支撑。钛镍合金短杆通过M2螺钉固定于V型件26上；V型件26利用两组连接孔分别连接横杆27和对角加劲索23，使两者在V型件内部交叉重合，并利用两个M2螺钉在交叉点固联。V型件用于限制铰接头24的三个位移和两个转动自由度。转接件29连接纵杆21和V型件26，并利用M2.5螺钉作为转动轴，形成沿伸展臂外接圆径向的转动自由度；

参阅图5，所述的底部三轴微调平台由Z轴定位机构3、Y轴定位机构4和X轴定位机构5共同组成。三者主要由滚珠丝杆机构与步进电机进行驱动。Y轴定位机构4和X轴定位机构5的驱动原理基本相同，Y轴滚珠丝杆机构包括丝杆相配合的丝杆49、丝杆螺母和前端块44后端块46，其中丝杆螺母通过转接座与Y轴上台面41相连，步进电机43连接在底板并固定于Y轴底座48上。由于考虑到机构的重量因素，工作台面39由两个相同的，尺寸和重量较小的Z轴定位机构3进行驱动，用于控制平台沿Z轴方向的平动。其中X方向底座52设有螺纹孔，与卫星主体部位相连。盘绕式伸展臂的底部固定在工作台面39上，而工作台面39由连接支座36固定在滑块37上，其中滑块37可通过丝杆螺母35沿Z方向导轨38做上下往复运动。Z方向丝杆机构整体固定在Y轴上台面41上。Y轴上台面41可由Y方向丝杆机构驱动，并通过滑块47沿Y方向导轨42往复运动。Y方向底座48可通过滑块51沿X方向导轨54滑动，导轨均为标准直线导轨。

上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种针对盘绕式伸展臂的主动控制方案，包括若干三角形铰接横架、若干对角加劲索、三根纵杆、舵机、框架式旋转平台及底部三轴微调平台构成。其中舵机和框架式旋转平台实现顶部平台水平XY两个方向的转动自由度控制。底部的三轴微调平台控制盘绕式伸展臂整体的XYZ三轴平动。

2.根据权利要求1所述的一种针对盘绕式伸展臂的主动控制方案，其特征在于：顶部平台外框架由Dynamixel RX-64舵机驱动，外框架固定在顶盖上。内框架由DF9GMS微型舵机驱动，内框架通过轴承与外框架相连。

3.根据权利要求1所述的一种针对盘绕式伸展臂的主动控制方案，其特征在于：该三轴微调平台是XY平动平台与Z轴升降台的组合体，盘绕式伸展臂底座固定于Z轴升降台台面上，X轴平动平台则相对于星体结构固定。工作状态下XYZ三定位平面保持水平。

4.根据权利要求1所述的一种针对盘绕式伸展臂的主动控制方案，其特征在于：顶部平台通过铰链与盘绕式伸展臂顶端相连，盘绕式伸展臂底部固定在三轴微调平台的Z轴升降台面上。