一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。可有效提高操作的安全性。可有效提高操作的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于空间碎片消旋的全向可控轮式末端执行器


[0001]本专利技术属于支持空天作战、探月任务、星际探测、在轨服务等空间任务发展需要的
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：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。
[0006]本专利技术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。
[0007]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。
[0008]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
°
。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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：
[0012][0013]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。
[0014]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：
[0015][0016]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。
[0017]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：
[0018]v
Σ
＝v
D
+v
DC
+v
CΣ
；
[0019]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。
[0020]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：
[0021][0022]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。
[0023]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：
[0024]v
D
＝[
‑
l
OD
·
sinθ
·
ωl
OD
·
cosθ
·
ω0]T
；
[0025]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。
[0026]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0027]本专利技术通过控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：段嘉琪，陈志鸿，李科，李常，王燕波，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：