CN114715446A - 一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，包括：球形轮手、三个驱动装置、万向轴承、紧固支架和连接法兰；其中，每个驱动装置的一端与所述连接法兰相连接，每个驱动装置的另一端与所述球形轮手相接触；所述紧固支架的一端与所述连接法兰相连接，所述紧固支架的另一端通过所述万向轴承与所述球形轮手相连接。本发明通过控制该末端执行器实现机械臂与碎片摩擦式的缓慢能量交换从而达到消旋的目的，可有效提高操作的安全性。

Description

一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器

技术领域

本发明属于支持空天作战、探月任务、星际探测、在轨服务等空间任务发展需要的技术领域，尤其涉及一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器。

背景技术

空间碎片主要来源于大型火箭末级和失效卫星，及其碰撞所产生的次级碎片。据统计地球轨道上现漂浮着约上亿块大小不一的碎片，可以说百分之五的航天器生活在百分之九十五的碎片中。这些碎片多为非合作目标且已失去姿态调整能力，长期在失控状态下运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量等因素的影响往往会出现翻滚运动。对其进行直接捕获存在碰撞风险，为降低风险系数采取消旋后再捕获是较为合适的方式。

根据是否与目标接触可以将消旋方式划分为接触式和非接触式两种方式。其中接触式消旋凭借简单易行、成本低廉等优点是当前主流的消旋方式。典型的接触式消旋主要有减速刷消旋、机械脉冲消旋、柔性绳系消旋三种方式。减速刷作为机械臂的一种末端执行器，最早由日本JAXA[X]提出，其本身是一种可变刚度的毛刷，通过轻轻触碰目标碎片表面施加消旋力矩进行消旋。典型代表有Nishida[X]设计的减速刷消旋装置。机械脉冲消旋通过对目标施加冲量来改变目标姿态。典型代表有Matunaga[X]将弹性小球作为末端执行器。此外Yoshikawa[X]利用多次接触碰撞产生的脉冲作用力来衰减目标碎片的章动角和自旋速度，达到抑制角动量的目的。受限于作用原理该方式无法完成对大型目标的在轨消旋。欧空局[X]提出利用飞网装置进行碎片清除，捕获机构在距离目标碎片约15m处释放飞网，依次完成发射、张开、包络、收网、拖拽五个动作实现对目标的抓捕，随后将其拖入废弃轨道，飞网机构与目标分离后返回任务轨道准备执行下一次任务。柔性绳系在捕获消旋过程中容易发生缠绕，一旦缠绕将难以依靠自身解开。

综上所述，空间碎片的翻滚和自旋给在轨操作带来了极大的风险，目前消旋技术仍旧停留在理论阶段，还没有成熟的技术能直接对其进行接触式操作。不论是减速刷类、机械脉冲类、连续体或软体类的消旋方案，都无法有效应对高速自旋带来的挑战。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，通过控制该末端执行器实现机械臂与碎片摩擦式的缓慢能量交换从而达到消旋的目的，可有效提高操作的安全性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，包括：球形轮手、三个驱动装置、万向轴承、紧固支架和连接法兰；其中，每个驱动装置的一端与所述连接法兰相连接，每个驱动装置的另一端与所述球形轮手相接触；所述紧固支架的一端与所述连接法兰相连接，所述紧固支架的另一端通过所述万向轴承与所述球形轮手相连接。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，每个驱动装置包括麦克纳姆轮、电机法兰、电机和电机支架；其中，所述电机支架的一端与所述连接法兰相连接，所述电机支架的另一端与所述电机相连接；所述电机的输出轴通过电机法兰与所述麦克纳姆轮相连接；所述麦克纳姆轮与所述球形轮手相接触。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，三个驱动装置在水平投影面上互成120°夹角；每个驱动装置的轴向与水平线的夹角为60°。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，定义麦克纳姆轮的中心为原点O点，转动轴为z轴，平行紧固支架指向轮手外部为y轴，x轴根据右手定则确定；半径r为麦克纳姆轮的辊子包络形成的圆周半径；h为轮宽；辊子轴为线段AB，辊子的曲线为曲线AB，C点位于曲线AB上且与地面接触，线段OC⊥线段AB，线段OC与线段AB交于点D；B′C′D′分别为点B C D的投影；α为辊子的偏置角。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，曲线AB绕轴AB旋转则生成辊子面，辊子的个数N满足Nγ≥2π；其中，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，线段OD的长度为：

其中，l_OD为线段OD的长度，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，曲线AB表示为：

其中，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角，x、y、z分别表示曲线AB在O′XYZ坐标系的投影。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，麦克纳姆轮相对于球形轮手的球面∑的运动速度v_Σ为：

v_Σ＝v_D+v_DC+v_CΣ；

其中，v_D为麦克纳姆轮的辊子中心的运动速度，v_DC为麦克纳姆轮的辊子与球形轮手接触点相对与辊子中心的运动速度，v_CΣ为点C与球形轮手的球面的打滑速度。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，麦克纳姆轮的辊子与球形轮手接触点相对与辊子中心的运动速度v_DC为：

其中，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角，ω为电机带动麦克纳姆轮的旋转速度。

上述用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器中，麦克纳姆轮的辊子中心的运动速度v_D为：

v_D＝[-l_OD·sinθ·ωl_OD·cosθ·ω0]^T；

其中，l_OD为线段OD的长度，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，ω为电机带动麦克纳姆轮的旋转速度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过控制该末端执行器实现机械臂与碎片摩擦式的缓慢能量交换从而达到消旋的目的，可有效提高操作的安全性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器的消旋工作原理示意图；

图3是本发明实施例提供的麦克纳姆轮的数学模型示意图；

图4是本发明实施例提供的多臂与目标碎片组成的系统的坐标定义示意图；

图5是本发明实施例提供的末端执行器坐标定义示意图；

图6是本发明实施例提供的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器的立体图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器的结构示意图；图6是本发明实施例提供的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器的立体图。如图1和图6所示，该用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器包括：球形轮手1、三个驱动装置、万向轴承2、紧固支架3和连接法兰8；其中，

每个驱动装置的一端与所述连接法兰8相连接，每个驱动装置的另一端与所述球形轮手1相接触；所述紧固支架3的一端与所述连接法兰8相连接，所述紧固支架3的另一端通过所述万向轴承2与所述球形轮手1相连接；三个驱动装置在水平投影面上互成120°夹角。

如图1和图6所示，每个驱动装置包括麦克纳姆轮4、电机法兰5、电机6和电机支架7；其中，所述电机支架7的一端与所述连接法兰8相连接，所述电机支架7的另一端与所述电机6相连接；所述电机6的输出轴通过电机法兰5与所述麦克纳姆轮4相连接；所述麦克纳姆轮4与所述球形轮手1相接触。驱动装置的轴向与水平线的夹角为60°。

采用对称分布的设计思想，实现动力源与输出端的对称解耦，可以更好的实现全向可控。电机通过转接法兰与全向轮相连，二者共同构成一个驱动源，三个驱动源在水平投影面上互成120°夹角。全向轮与中间球形轮手表面能否实现摩擦可控是制约所设计的末端执行器工作性能的主要因素之一。麦克纳姆轮即Mecanum轮由轮毂和它的轮缘上斜向布置着的若干辊子组成。这些辊子有着特殊的母线，它们的包络面是圆柱面，可以使其向前滚动。同时这些辊子可以使轮子的转向力转化到轮子的轴向(即法向力)。通过组合3个轮子不同的转速，可以合成出在球形轮手表面上所需要的力矩和速度，从而使得球形轮手具备全向可控的能力。此外Mecanum轮本身具备结构紧凑、承载力较强、安装控制方便等优点。因此采用Mecanum轮作为全向轮。

Mecanum轮与球形轮手的相切点位于球下天顶角45°位置。3个Mecanum轮支撑起中央的球形轮手，轮手表面经过粗糙化处理，可以尽量减少运动过程中与Mecanum轮之间的打滑现象。紧固支架一端安装在底部的连接法兰上，另一端安装有万向轴承，为球形轮手提供约束力，防止在消旋过程中发生逃逸。万向轴承轻轻触碰球形轮手，且自身的摩擦系数较小，可以最大限度的减少轮手转动时的摩擦。与3个驱动源相对应的电机支架用于固定电机，同时具备径向微调能力，可以通过控制径向距离调整Mecanum轮与球形轮手之间的压力实现机构的自动离合。整个系统搭载于连接法兰上，标准化的连接法兰可以保证机构与不同规格机械臂末端相连，方便末端执行器的快速拆装。该用于目标消旋的末端执行器的优点是结构轻巧、驱动灵活且控制简单。

针对空间碎片具有未知的大目标质量、大外形结构尺寸、具有较大的残余角速度和角动量、表面形状未知等特点，可以通过在多条机械臂末端搭载本文所设计的全向可控轮式末端执行器的方案实现对目标的动态粘附、消旋、捕获和操控，如图2所示。具体工作原理为配备有本发明的所设计末端执行器的多臂复合飞行器通过对大型空间碎片的追踪与跟随实现动态“黏附”，飞行器与目标碎片之间基于末端执行器形成多点接触，这些接触点构成了虚拟的“球窝”，可适应各种不同表面形貌特征的目标。当目标自旋时，多臂通过合适的盘架构型动态调整，对目标实施约束层面意义上的控制，而不是紧持，避免瞬间接触而导致的动量剧烈交换所带来的风险。末端执行器在被动随动时可产生与目标碎片接触表面间较小的摩擦力，在主动控制时可以根据需求向目标输出所需方向、要求大小的消旋扭矩，通过对目标动量交换过程的主被动控制来对目标进行缓慢且过程可控的“刹车”操作，从而实现碎片消旋的目的。当空间碎片的残余角速度降低后，对其进行捕获和操控变得简单易行。

电机与球形轮手、球形轮手与目标物体之间的运动映射关系是研究末端执行器稳定可控以及实现目标消旋的关键。建立Mecanum轮的数学模型，分析运动特性，在此基础上建立反映电机与目标物体约束关系的运动学模型，得到二者之间的映射关系。

首选建立Mecanum轮数学模型如图3所示。定义Mecanum轮形中心为原点O点，转动轴为z轴，平行紧固支架指向轮手外部为y轴，x轴根据右手定则确定。半径r为Mecanum轮辊子包络形成的圆周半径；h为轮宽；线段AB为辊子轴，曲线AB为辊子的曲线，C点位于曲线上且与地面接触，OC⊥AB，OC与曲线AB交于点D；B′C′D′分别为点B C D的投影；α为辊子的偏置角。将曲线AB绕轴AB旋转则可生成辊子面，辊子的个数N应当满足Nγ≥2π，可保证辊子的包络面可形成连续的圆周，保证Mecanum轮的正常平稳。

分析所建立的数学模型可得线段OD的长度为：

式中，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角。

曲线AB可以表示为：

Mecanum轮与轮手球面∑相切于点C，定义Mecanum轮相对于轮手球面∑的运动速度为v_Σ，根据所建模型可得：

v_Σ＝v_D+v_DC+v_CΣ (3)

式中，v_DC的方向可以表示为e_OC×e_AB·signω，sign表示取变量符号，代表v_DC与转动方向相同。Mecanum轮辊子具有从动特性，其角速度的大小受轮子转动方向与速度的影响。当Mecanum轮运动方向不同时，辊子的转动方向也会变化，表现为从动特性。由此可得：

v_D的方向可表示为z×e_CD·signω，大小为：

v_D＝[-l_OD·sinθ·ω l_OD·cosθ·ω 0]^T (5)

Mecanum轮与轮手球面之间为滚动摩擦，无相对位移，因此v_CΣ＝O。

综上可得：

以上建立了Mecanum轮和球形轮手接触点与转速之间的关系，为后续系统运动学分析打下基础。

建立目标物体与末端执行器、球形轮手与接触点之间的映射关系，再式(6)，最终获得系统的逆运动学关系，即目标物体与电机转速之间的关系，据此可以稳定可控地完成对目标物体的消旋操作。

对多臂与目标碎片组成的系统进行运动建模，如图4和图5所示。首先定义相关的坐标系：O_ox_oy_oz_o为目标物体坐标系，O_bix_biy_biz_bi为第i个轮手的轮手坐标系，其原点O_bi为轮手的几何中心。O_kx_ky_kz_k为所设计的末端执行器第k只Mecanum轮的轮系坐标系，其原点位于Mecanum轮的几何中心，z轴与驱动电机输出轴平行，y轴平行于紧固支架指向轮手外部，x轴根据右手定则确定。规定靠近轮手y_b轴的为1号轮，顺序按逆时针排序。

假设任意一轮手坐标系O_bix_biy_biz_bi由目标物体坐标系O_ox_oy_oz_o绕k_i轴旋转θ_i角得到，其中k_i轴可以表示为k_i＝[k_xi k_yi k_zi]^T，可得目标物体与球形轮手之间的转换矩阵为：

ω_o＝∑^OJ_bi·ω_bi (8)

式中，ω_o为目标物体的运动速度，ω_bi为第i个轮手的运动速度，k_xi、k_yi、k_zi分别为旋转轴k_i在坐标系O_ox_oy_oz_o上的投影，cθ、sθ分别为旋转角θ_i的余弦值与正弦值。以上建立了目标物体与末端执行器球形轮手的运动关系。

假设轮系坐标系O_bix_biy_biz_bi在轮手坐标系O_bix_biy_biz_bi的偏转角为[α_i β_i γ_i]，则第i个轮手的轮手坐标系O_bix_biy_biz_bi与轮手坐标系O_bix_biy_biz_bi之间的转换矩阵为：

联立式(6)与式(9)可得：

式中，^OJ_bi为目标物体与球形轮手之间的转换矩阵，^bJ_i为第i个轮系与球形轮手的转换矩阵，R为球形轮手的半径，v_Σ为Mecanum轮相对于轮手球面∑的运动速度，α_i、β_i、γ_i为轮系坐标系O_bix_biy_biz_bi在轮手坐标系O_bix_biy_biz_bi三个方向上的偏转角。以上建立了目标物体与末端执行器球形轮手的运动关系。上式反映末端执行器上电机转速与目标物体转速之间的关系，据此可以通过控制电机，间接实现对目标碎片位姿的控制。

本发明采用三个Mecanum轮对称分布的方式实现全向可控，具备结构轻巧、驱动灵活、控制简单等优点。本发明通过控制Mecanum轮对球形轮手实现间接控制，在此基础上利用球形轮手与目标物体之间摩擦式的缓慢能量交换从而达到消旋的目的，颠覆了传统的机器人操控理念，用以“以小博大”的思想来实现了“以弱控强”的目的。本发明通过对称式的结构分布，使得消旋过程中机械臂与目标碎片之间的接触关系在一定维度下实现了运动学意义上的解耦，提升了对高速自旋目标的捕获安全性。本发明通过中央的球形轮手对目标碎片施加缓慢且过程可控的摩擦，属于无把手操控，不要求目标配备与末端执行器相匹配的靶手，对目标表面的“把手”和形貌特征要求较低，可以针对任意不规则的目标实施操控。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于包括：球形轮手(1)、三个驱动装置、万向轴承(2)、紧固支架(3)和连接法兰(8)；其中，

每个驱动装置的一端与所述连接法兰(8)相连接，每个驱动装置的另一端与所述球形轮手(1)相接触；

所述紧固支架(3)的一端与所述连接法兰(8)相连接，所述紧固支架(3)的另一端通过所述万向轴承(2)与所述球形轮手(1)相连接。

2.根据权利要求1所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：每个驱动装置包括麦克纳姆轮(4)、电机法兰(5)、电机(6)和电机支架(7)；其中，

所述电机支架(7)的一端与所述连接法兰(8)相连接，所述电机支架(7)的另一端与所述电机(6)相连接；

所述电机(6)的输出轴通过电机法兰(5)与所述麦克纳姆轮(4)相连接；

所述麦克纳姆轮(4)与所述球形轮手(1)相接触。

3.根据权利要求1所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：三个驱动装置在水平投影面上互成120°夹角；每个驱动装置的轴向与水平线的夹角为60°。

4.根据权利要求2所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：定义麦克纳姆轮的中心为原点O点，转动轴为z轴，平行紧固支架指向轮手外部为y轴，x轴根据右手定则确定；半径r为麦克纳姆轮的辊子包络形成的圆周半径；h为轮宽；辊子轴为线段AB，辊子的曲线为曲线AB，C点位于曲线AB上且与地面接触，线段OC⊥线段AB，线段OC与线段AB交于点D；B′C′D′分别为点B C D的投影；α为辊子的偏置角。

5.根据权利要求4所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：曲线AB绕轴AB旋转则生成辊子面，辊子的个数N满足Nγ≥2π；其中，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角。

6.根据权利要求4所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：线段OD的长度为：

其中，l_OD为线段OD的长度，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角。

7.根据权利要求4所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：曲线AB表示为：

其中，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角，x、y、z分别表示曲线AB在O′XYZ坐标系的投影。

8.根据权利要求4所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：麦克纳姆轮(4)相对于球形轮手的球面∑的运动速度v_Σ为：

v_Σ＝v_D+v_DC+v_CΣ；

其中，v_D为麦克纳姆轮的辊子中心的运动速度，v_DC为麦克纳姆轮的辊子与球形轮手接触点相对与辊子中心的运动速度，v_CΣ为点C与球形轮手的球面的打滑速度。

9.根据权利要求8所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：麦克纳姆轮的辊子与球形轮手接触点相对与辊子中心的运动速度v_DC为：

其中，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，γ为线段AO′和线段O′B′的夹角，ω为电机带动麦克纳姆轮的旋转速度。

10.根据权利要求8所述的用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器，其特征在于：麦克纳姆轮的辊子中心的运动速度v_D为：

v_D＝[-l_OD·sinθ·ω l_OD·cosθ·ω 0]^T；

其中，l_OD为线段OD的长度，θ为线段AO′和线段O′C′的夹角，ω为电机带动麦克纳姆轮的旋转速度。

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