CN115027701A - 一种基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，包括空间盘绕式伸展臂以及Stewart平台两大部分：空间盘绕式伸展臂由铰接式三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索组成；Stewart平台包括固定基座、载物台、惯性传感器以及六条支腿。本发明可实现大收拢比盘绕式空间伸展机构的高精度指向，适配于微小卫星等空间任务。具体方式为，盘绕式伸展臂展开后，Stewart平台根据惯性传感器的位姿测量结果，对载物台上有效载荷进行六自由度的运动控制，从而满足空间盘绕式伸展臂的高精度指向。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，属于空间可展开机构技术领域。
背景技术
近年来，随着商业航天的蓬勃发展，具备研制成本低、研发周期短等优点的微小卫星技受到了前所未有的关注与研究。在此背景下，以盘绕式伸展臂为代表的空间展开机构越来越多地应用到卫星平台上以扩展其功能，从而满足商业化浪潮下用户越来越多样化的需求。空间展开机构在发射阶段能够收拢于有限的包括空间内，卫星入轨后又可伸展为预定空间构型，通过此种方式可以最大限度地降低运载火箭有效载荷舱容积对于空间任务的限制。盘绕式伸展臂作为一种典型的一维柔性展开机构，具有质量轻、功耗小、展开收拢比大(最高可达20:1)等优点，这对于星上资源有限的微小卫星十分重要，应用前景广阔。最具代表性的便是在空间望远镜领域的应用，望远镜镜头可安装于盘绕式伸展臂的顶端，位于焦点的探测器则位于卫星本体上，伸展臂展开后可使得望远镜焦距远大于航天器本体尺寸，进而大幅度提升观测性能。但是，以空间望远镜为代表的科学载荷往往有着高精度指向的要求，盘绕式伸展臂作为柔性展开机构，自身刚度相对较低，在空间高低温环境下容易产生变形，仅靠自身展开精度往往难以满足要求，需要具备主动控制能力。但国内针对微小卫星展开机构的研究起步较晚，目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道。
考虑到空间柔性盘绕式伸展臂展开精度不足的问题，本发明设计了一种基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂。Stewart平台可以进行六自由度闭环反馈控制，调节盘绕式伸展臂顶端载荷的位置和姿态，从而满足载荷高精度指向的要求。
发明内容
为了克服现有技术中盘绕式伸展臂柔性大、指向精度不高等不足，本发明设计了基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂。有效载荷与Stewart平台安装在盘绕式伸展臂顶端，在随着伸展臂展开运动至远离卫星本体的位置后，Stewart平台可根据惯性传感器所测的当前位姿进行六自由度调节，从而满足空间望远镜等科学载荷高指向精度的要求。
本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，包括空间盘绕式伸展臂[1]以及Stewart平台[2]两大组件；
所述空间盘绕式伸展臂[1]由铰接式三角形横架[3]、纵杆[4]及对角加劲索[5]组成。铰接式三角形横架[3]由三个铰接头[6]和三根钛镍合金短杆[7]组成，为纵杆提供侧向支撑；纵杆[4]共有三根，贯穿于铰接式三角形横架[3]的穿孔中，由钛镍形状记忆合金加工而成，长度即为空间盘绕式伸展臂[1]的展开长度；对角加劲索[5]由钢丝制成，在铰接式三角形横架[3]之间斜拉固定，承受预应力，可大幅提升伸展臂的抗剪切和抗扭转刚度；
所述Stewart平台[2]包括固定基座[8]、两自由度虎克铰[9]、伺服直线作动器[10]、三自由度虎克铰[11]、载物台[12]和惯性传感器[13]。固定基座[8]与空间盘绕式伸展臂[1]固连，是整个控制平台的基准；两自由度虎克铰[9]安装在固定基座上，可在两自由度方向上旋转；伺服直线作动器[10]是以音圈电机为主动件的作动杆，两端均与虎克铰连接；三自由度虎克铰[11]连接载物台，能够进行三自由度的旋转；载物台[12]用于有效载荷的固定，可根据有效载荷需求提供定制化安装接口；惯性传感器[13]固定于载物台[12]上，可对载物台进行六自由度运动测量，为Stewart平台提供控制输入信息；两自由度虎克铰[9]、伺服直线作动器[10]与三自由度虎克铰[11]组合体形成平台支腿，共有六组，支腿两端分别与固定基座[8]及载物台[12]相连接，作动器运动会引起支腿长度的变化，进而在六自由度空间内调节载物台的位置与姿态。
本发明在盘绕式伸展臂顶端采用构型简洁、精度较高的Stewart主动控制平台，形成了一套高指向精度的空间可展开机构装置，既保留了盘绕式伸展臂展开收拢比大、空间利用率高的特点，又具备六自由度自主调节能力。Stewart平台的应用，可以实现柔性展开机构的精确指向以及空间微振动的抑制。本装置各部件设计解耦程度高，结构简单，装卸快捷，精度调校方便，并可根据空间载荷需求留出定制化接口，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的空间盘绕式伸展臂机构局部示意图；
图3为本发明的铰接式三角形横架示意图；
图4为本发明的空间盘绕式伸展臂展开过程示意图；
图5为本发明的Stewart平台机构示意图；
图例说明：
1.空间盘绕式伸展臂 2.Stewart平台 3.铰接式三角形横架 4.纵杆
5.对角加劲索 6.铰接头 7.短杆 8.固定基座 9.两自由度虎克铰
10.伺服直线作动器 11.三自由度虎克铰 12.载物台 13.惯性传感器
具体实施方式
下面结合附图对基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂的具体实施方式进行详细描述，以下描述仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参阅图1，本发明所述的基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，是由空间盘绕式伸展臂[1]及Stewart平台[2]两大组件组成的适用于微小卫星平台的高指向精度空间一维展开机构。其中，空间盘绕式伸展臂[1]是实现展开功能的主体，底部固定于卫星本体上，Stewart平台[2]安装在空间盘绕式伸展臂[1]顶端。在卫星发射阶段，空间盘绕式伸展臂[1]处于盘绕收拢状态，卫星入轨后，伸展臂将在卫星指令的控制下展开。Stewart平台[2]在伸展臂展开的过程中保持静止状态，展开工作完成后，Stewart平台[2]将根据当前位置及姿态信息控制六条支腿进行主动调节，保证载荷的高精度指向。
参阅图2、图3、图4，本发明所述的空间盘绕式伸展臂[1]由铰接式三角形横架[3]、三根通长纵杆[4]、以及对角加劲索[5]组成。其中，纵杆长度与伸展臂展开状态相同，材料为钛镍形状记忆合金，具有超弹性和形状记忆效应，收拢时沿周向盘绕，展开时提供横向弯曲刚度与强度；铰接式三角形横架垂直于纵杆平面，与纵杆在三个角点处通过铰接头相连接，收拢时限制纵杆的盘绕半径，展开时承担横向剪切载荷；对角加劲索为相邻铰接式三角形横架间斜拉的钢丝，能够承受预应力，限制相邻横架的空间对角线位移，收拢时松弛，展开后可提高伸展臂的抗剪切和抗扭转刚度。空间盘绕式伸展臂有收拢与展开两种状态，收拢状态下纵杆沿周向盘绕贮存应变能，解锁后其内部应变能将在几何协调约束下转化为轴向动能，最终形成稳定的展开状态。
参阅图5，所述的Stewart平台[2]由固定基座[8]、两自由度虎克铰[9]、伺服直线作动器[10]、三自由度虎克铰[11]、载物台[12]以及惯性传感器[13]构成。在实际使用过程中，固定基座安装于空间盘绕式伸展臂顶部，有效载荷与载物台连接，六条支腿可沿轴向运动，调节载物台的位置与姿态。标定后的惯性传感器固定于载物台上，测量得到载物台与固定基座之间的相对姿态信息，以该信息作为输入，可通过Stewart平台运动学方程解算出支腿的理想长度，进而由伺服直线作动器运动至预定位置。
Claims (6)
1.一种基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，包括空间盘绕式伸展臂以及Stewart平台两大部分：空间盘绕式伸展臂由铰接式三角形横架、三根纵杆及若干对角加劲索组成；Stewart平台包括固定基座、六条支腿、载物台以及惯性传感器。
2.如权利要求1所述的基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，其特征在于：所述空间盘绕式伸展臂具备展开与收拢两种状态，可在航天器发射阶段盘绕收拢，入轨后展开为预定构型。
3.如权利要求1所述的基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，其特征在于：所述铰接式三角形横架由三个三角形铰接头和三根钛镍合金短杆组成，与展开方向垂直，收拢时可限制伸展臂盘绕半径。
4.如权利要求1所述的基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，其特征在于：所述纵杆采用超弹性形状记忆合金材料，纵杆在伸展臂收拢时沿周向盘绕贮存应变能，展开时则将应变能转化为轴向动能。
5.如权利要求1所述的基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，其特征在于：Stewart平台安装在空间盘绕式伸展臂顶端，在盘绕式伸展臂展开过程中保持静止状态，展开工作完成后，Stewart平台开始进行主动调节以保证载荷的高精度指向。
6.如权利要求1所述的基于Stewart平台主动控制的空间盘绕式伸展臂，其特征在于：所述的支腿包括两自由度虎克铰、伺服直线作动器和三自由度虎克铰，其中伺服直线作动器采用音圈电机作为主动元件，两自由度虎克铰连接固定基座顶部，三自由度虎克铰连接载物台底部。
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Cited By (2)
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| CN117963167A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-03 | 北京航空航天大学 | 一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法 |
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