一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂制造技术

本发明专利技术涉及一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其包括末端作用器、万向节、控制力矩陀螺群；其中，末端作用器包含有内接体；机械臂的末端作用器与其内接体连接构成新的构型，机械臂的末端作用器固连在万向节的一端，内接体固连在万向节的另一端，在末端作用器上安装一组控制力矩陀螺群，以提供末端作用器运动需要的力矩。本发明专利技术的新构型将传统的柱铰关节替换为万向节关节，在相同机械臂关节的情况下增加了空间机械臂的自由度，提高了空间机械臂末端作用器的灵活性。新构型取消了传统的电机驱动，通过在末端作用器上安装控制力矩陀螺装置，驱动末端作用器的运动，基于控制力矩陀螺驱动的空间机械臂在关节处无主动反作用力矩。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，属于航天器空间结构设计领域。
技术介绍
随着航天任务的日益复杂化，空间机械臂在深空探测、空间站建立及其它在轨服务任务中发挥着重要作用。空间机械臂对航天器的回收、维修和再利用，可以节省大量的人力资源和资金。空间机械臂不再针对单一的空间任务进行设计，未来空间机械臂需要具有执行多种任务的要求，具有一定的通用性。机械臂设计过程中，特别是对于工业机器人而言，大多执行单一的操作任务，因此设计较为简单，为了提高空间机械臂的灵活性，通常会增加机械臂的自由度数目，对于单自由度的柱铰而言，机械臂自由度数目的增加，必然会导致机械臂关节数目的增加，关节的增加对于末端作用器的位置和姿态而言会存在误差的积累，因此期望在相同关节数目的情况下，获得多的机械臂自由度数目，基于此，本专利设计了万向节连接的空间机械臂末端作用器结构。在实际应用中，为了方便关节电机对机械臂的驱动，每个关节通常采用单自由度的柱铰连接两个相邻臂杆。此处末端作用器通过两自由度的万向节与其内接体相连，但关节电机不能同时驱动两自由度的万向节关节。另外，关节电机在驱动机械臂时，会对相邻的体产生主动反作用力矩，因此，考虑利用控制力矩陀螺驱动空间机械臂。同关节电机驱动空间机械臂相比较而言，控制力矩陀螺在驱动空间机械臂末端作用器时，能够实现两自由度的末端关节驱动，使机械臂的末端作用器更加灵活，且陀螺驱动的末端作用器万向节结构不会对其内接体产生主动反作用力矩。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，主要针对空间机械臂系统的末端作用器灵活性问题及空间机械臂多自由度关节的驱动问题，旨在为空间机械臂的设计提供技术支持，以期在相同数目的机械臂关节的情况下使的机械臂末端作用器具有更高的灵活性。本专利技术的一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其包括末端作用器、万向节、控制力矩陀螺群；其中，末端作用器包含有内接体；机械臂的末端作用器与其内接体连接构成新的构型，机械臂的末端作用器固连在万向节的一端(B端)，内接体固连在万向节的另一端(A端)，在末端作用器上安装一组控制力矩陀螺群，以提供末端作用器运动需要的力矩。其中，所述的控制力矩陀螺群包括至少三个控制力矩陀螺，最多一般不超过六个。本专利技术一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其优点及功效在于：本专利技术的新构型将传统的柱铰关节替换为万向节关节，在相同机械臂关节的情况下增加了空间机械臂的自由度，提高了空间机械臂末端作用器的灵活性。新构型取消了传统的电机驱动，通过在末端作用器上安装控制力矩陀螺装置(CMGs)，驱动末端作用器的运动，基于控制力矩陀螺驱动的空间机械臂在关节处无主动反作用力矩。附图说明图1传统构型下末端作用器与内接体的连接图。图2本专利技术方法的末端作用器与内接体的连接图。图3万向节结构简图。图4传统构型下的两关节空间机械臂。图5本专利技术构型下的两关节空间机械臂。图中具体标号如下：1、末端作用器2、内接体3、柱铰4、万向节5、控制力矩陀螺群具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案做进一步的说明。如图1所示，为空间机械臂末端作用器与其内接体构成的传统构型，末端作用器通过柱铰与其内接体相连，在柱铰关节上安装有关节电机驱动末端作用器，末端作用器可以实现在xy内平面的运动。本专利技术一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，如图2所示，为机械臂末端作用器与其内接体构成的新的构型，机械臂的末端作用器1固连在万向节4的一端(B端)，其内接体2固连在万向节4的另一端(A端)，万向节4上不再安装关节电机，而是在末端作用器1上安装控制力矩陀螺群5。万向节4结构简图如图3所示，图3中万向节的A,B端与图2中的A,B端相对应。在通常情况下，万向节是由主动轴和从动轴连接的两个叉头与十字轴组成，运动从主动轴输入，经过万向节后变向后由从动轴输出，主动轴与从动轴的轴线通常是沿某一方向固定的，当主动轴回转一周时从动轴也回转一周。当万向节同空间机械臂末端作用器的内接体固连后，运动输入输出不再是单纯的绕输入输出轴的自转，同时万向节与末端作用器连接的轴以及与末端作用器内接体连接的轴不再区分主动轴和从动轴，此时万向节的应用变为一般意义上的两自由度关节。末端作用器的轴线可以在控制力矩陀螺群的驱动下实现空间多方向的运动，即末端作用器能够实现空间多姿态的运动。如图3所示，假设在万向节A端不存在输入，十字万向节交叉轴中心存在固定点O，定义惯性参考系Ox0y0z0，Ox0轴沿AO方向，Oz0轴沿万向节十字交叉轴的立轴方向，即十字交叉轴轴线方向不变的轴，Oy0轴是通过右手法则确定的。在万向节十字交叉轴上建立其本体坐标系Ox1y1z1，其中Ox1轴垂直于万向节十字交叉轴所在平面，Oy1轴沿十字交叉轴的水平轴，Oz1轴沿十字交叉轴的立轴方向。建立末端作用器的体坐标系Ox2y2z2，其中Ox2沿万向节十字交叉轴的水平轴，Oz2沿末端作用器自旋轴方向，Oy2轴是通过右手法则确定的。则坐标系Ox1y1z1与惯性系之间的坐标转换关系为(其中，θ1为末端作用器内接体与万向节之间的转角，θ2为末端作用器与万向节之间的转角，cos表示余弦函数符号，sin表示正弦函数符号)：A01=cosθ1-sinθ10sinθ1cosθ10001,]]>坐标系Ox2y2z2与Ox1y1z1之间的坐标转换关系为：A12=0sinθ2cosθ21000cosθ2-sinθ2,]]>当末端作用器内接体固定时，末端作用器的角速度为：ω→2=θ→·1+θ→·2=A21Γ1θ·1+Γ2θ·2]]>其中为坐标系Ox1y1z1与Ox2y2z2之间的坐标转换关系，Γ1和Γ2分别为万向节两转动轴的方向向量，分别在坐标系Ox1y1z1和Ox2y2z2中表示，Γ1=001,Γ2=100]]>对应于广义速率和的广义惯性力分别为：FI1=-Γ1TA12ω~2J2ω2+Γ1TA12J2Γ2θ·2A21Γ1θ·1-Γ1TA12J2A21Γ1θ··1-Γ1TA12J2Γ2θ··2]]>FI2=-Γ2Tω~2J2A21Γ1θ·1-Γ2Tω~2J2Γ2θ·2+Γ2TJ2Γ2θ·2A21Γ1θ·1-Γ2TJ2A21Γ1&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其特征在于：所述的机械臂包括末端作用器、万向节、控制力矩陀螺群；其中，末端作用器包含有内接体；机械臂的末端作用器与其内接体相连，机械臂的末端作用器固连在万向节的一端，内接体固连在万向节的另一端，在末端作用器上安装一组控制力矩陀螺群，以提供末端作用器运动需要的力矩。

【技术特征摘要】
1.一种控制力矩陀螺驱动的空间机械臂，其特征在于：所述的机械臂包括末端作用器、万向节、控制力矩陀螺群；其中，末端作用器包含有内接体；机械臂的末端作用器与其内接体相连，机械臂的末端作用器固连在万向节的一端，内接体固连在...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾英宏，贾世元，徐世杰，冯骁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11