專利名稱:具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微重力氣浮平臺(tái)研究領(lǐng)域。
技術(shù)背景
隨著空間事業(yè)的不斷發(fā)展，空間操作任務(wù)變得越來越繁重復(fù)雜，如進(jìn)行在軌衛(wèi)星或大型空間站的構(gòu)建、服務(wù)和維修工作等。這些任務(wù)僅靠宇航員完成是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而且宇航員出艙活動(dòng)不僅耗費(fèi)很大，而且由于受到空間強(qiáng)輻射、高溫差及超真空的空間環(huán)境影響存在極大危險(xiǎn)，因此利用空間機(jī)械臂代替或協(xié)助宇航員來完成這些工作十分必要?？臻g機(jī)械臂系統(tǒng)參與空間活動(dòng)，可以在保證宇航員生命安全的基礎(chǔ)上，提高作業(yè)效率，并節(jié)省空間作業(yè)費(fèi)用。因此，空間機(jī)械臂系統(tǒng)在未來的空間活動(dòng)中將扮演越來越重要的角色。
空間機(jī)器人技術(shù)在應(yīng)用于太空環(huán)境之前必須在地面進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證和評(píng)估空其路徑規(guī)劃算法和控制算法?？臻g機(jī)器人地面微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一種集機(jī)械、電氣、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)視覺及人工智能的綜合體，它能夠在地面環(huán)境下通過特殊技術(shù)手段模擬出太空中的微重力環(huán)境，并配合空間機(jī)器人完成空間操作功能的地面演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，為空間機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考，從而降低空間機(jī)器人產(chǎn)品研制成本，提高航天產(chǎn)品研制效率。我國(guó)目前空間探測(cè)研究不斷深入，對(duì)空間環(huán)境仿真平臺(tái)的需求及微重力仿真性能的要求也在不斷增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述問題，提供一種能具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)，它包括
一種具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)，它包括運(yùn)動(dòng)模擬器，衛(wèi)星模擬器和地面控制臺(tái)。運(yùn)動(dòng)模擬器模擬基座衛(wèi)星零重力、低摩擦、微干擾的狀態(tài)；衛(wèi)星模擬器在運(yùn)動(dòng)模擬器提供的衛(wèi)星在軌運(yùn)動(dòng)模擬環(huán)境下，具備基本的單軸姿態(tài)調(diào)整和軌道控制功能，包括敏感器、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)(反作用飛輪和冷噴氣系統(tǒng))，并且具備電源系統(tǒng)、 無線通訊組件以及結(jié)構(gòu)組件等輔助系統(tǒng)；地面控制臺(tái)提供基本的目標(biāo)星與地面無線數(shù)據(jù)通訊功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星的控制以及數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和顯示功能。
在運(yùn)動(dòng)模擬器中，氣體靜壓推力軸承通過噴出高壓氣體使目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)浮于光滑工作臺(tái)面上，模擬太空中失重的狀態(tài)。
在衛(wèi)星模擬器中，捕獲框通過氣浮滑塊和連接轉(zhuǎn)軸與目標(biāo)衛(wèi)星模擬器中的大理石導(dǎo)軌相連接，同時(shí)使用吊絲配重的方法通過吊耳滑輪平衡捕獲框的重力。氣浮滑塊通過噴出高壓氣體可以使捕獲框沿Z軸低摩擦自由平動(dòng)；捕獲框通過連接轉(zhuǎn)軸可以實(shí)現(xiàn)繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)。氣體靜壓推力軸承和氣浮滑塊的高壓氣體通過氣罐提供。
目標(biāo)衛(wèi)星模擬器中安裝有8個(gè)噴嘴的冷噴氣系統(tǒng)，在目標(biāo)衛(wèi)星模擬器的四個(gè)側(cè)面背靠背安放，可以產(chǎn)生平動(dòng)力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩使目標(biāo)衛(wèi)星模擬器實(shí)現(xiàn)χ、γ方向的平動(dòng)和繞ζ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。[0009]反作用飛輪通過加減速產(chǎn)生反作用力矩，使目標(biāo)衛(wèi)星模擬器具有姿態(tài)調(diào)整能力， 從而保證捕獲框處于正確的位姿。
地面控制臺(tái)具有視覺和敏感姿態(tài)傳感器配合，反作用飛輪和冷噴氣系統(tǒng)配合的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)衛(wèi)星模擬器的位置控制，姿態(tài)控制和軌道控制。
在所述的目標(biāo)衛(wèi)星模擬器中有平衡滑塊，用以平衡系統(tǒng)的重力偏心。
本發(fā)明提供的具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、捕獲框通過連接轉(zhuǎn)軸和豎直導(dǎo)軌與本體共同形成五個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)緊湊。
2、采用氣體靜壓推力軸承平衡整個(gè)系統(tǒng)的重力，使用吊絲配重的方式平衡捕獲框的重力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性高，控制能力強(qiáng)。
3、采用冷噴氣和反作用飛輪相結(jié)合的控制方式，補(bǔ)償系統(tǒng)的干擾力和干擾力矩， 使其實(shí)現(xiàn)位置控制，姿態(tài)控制和軌道控制。該控制方法穩(wěn)定可靠，模擬效果良好。


圖1是本發(fā)明提供的具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是吊耳滑輪機(jī)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是連接轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是捕獲框機(jī)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是飛輪系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是目標(biāo)衛(wèi)星模擬器控制系統(tǒng)總體流程圖。
圖中標(biāo)號(hào)1 鋁型材框架，2 平衡滑塊，3 上支撐板，4 吊耳滑輪機(jī)構(gòu)，41 吊耳， 42 滑輪軸，43 非標(biāo)準(zhǔn)件軸承滑輪，44 墊片，5 大理石導(dǎo)軌，6 氣浮滑塊，7 連接轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)，71 連接軸，72 連接套筒，73 深溝球軸承60000型25，74 深溝球軸承60000型17， 75 連接法蘭，8 捕獲框機(jī)構(gòu)，81 夾持塊，82 支撐板，83 端蓋，9 底板，10 高壓氣罐，11 氣體靜壓推力軸承，12 飛輪系統(tǒng)，121 支撐法蘭，122 角接觸球軸承7003C/AC，123 軸套，124 :45LYX分裝電機(jī)定子，125 :45LYX分裝電機(jī)轉(zhuǎn)子，126 上法蘭，127 角接觸球軸承 7001C/AC，128 飛輪軸，129 飛輪輪轂，1210 飛輪輪緣，1211 外殼上部，1212 外殼下部， 1213 固定支架，1214 編碼器，13 配重塊，14 噴嘴安裝板，15 噴嘴。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，一種具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)，它包括運(yùn)動(dòng)模擬器，衛(wèi)星模擬器和地面控制臺(tái)。目標(biāo)衛(wèi)星模擬器通過一套鋁型材1框架支撐，通過安裝于底板9下表面的3個(gè)氣體靜壓推力軸承11噴出高壓氣體浮于光滑的大理石工作臺(tái)上；3 個(gè)平衡滑塊2安裝于上支撐板3上表面，用以平衡整個(gè)系統(tǒng)的重心偏移；2套吊耳滑輪機(jī)構(gòu) 4安裝于上支撐板3的下表面，用以配平捕獲框的重力；大理石導(dǎo)軌5豎直安裝于上支撐板 3和底板9的中心，通過氣浮滑塊6噴出的高壓氣體可以使連接轉(zhuǎn)軸7和捕獲框8在豎直方向近似無摩擦的上下平移；高壓氣罐10安裝于底板9上表面，提供氣浮導(dǎo)軌6，氣體靜壓推力軸承11和噴嘴15需要的高壓氣體；飛輪系統(tǒng)12安裝于底板9上表面，通過加減速提供不同的力矩來平衡系統(tǒng)的干擾力矩。8個(gè)噴嘴15安裝于位于上支撐板3上表面的噴嘴安裝板14上，通過同側(cè)噴嘴噴出高壓氣體提供系統(tǒng)行走的力和異側(cè)噴嘴噴出高壓氣體提供系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的力矩。
如圖2所示，吊耳滑輪機(jī)構(gòu)安裝于上支撐板3的下表面，吊耳41通過螺栓連接在上支撐3上。吊耳41上安裝有兩個(gè)滑輪軸42，每個(gè)滑輪軸42的中間安裝有一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)件軸承滑輪43。墊片44安裝于滑輪軸42上非標(biāo)軸承滑輪43的兩側(cè)，防止軸承滑輪43的軸向竄動(dòng)。柔性鋼繩穿過軸承滑輪43上部的凹槽連接配重塊13和氣浮滑塊6，此時(shí)軸承滑輪 43起到定滑輪的作用。
如圖3所示，連接轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)7通過連接軸71連接與氣浮滑塊的側(cè)面，連接套筒72 通過深溝球軸承73和74配合在連接軸71上，由此實(shí)現(xiàn)了自身的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，連接法蘭75固定在連接套筒72的尾部，用以連接捕獲框機(jī)構(gòu)8。連接軸71和連接套筒72的前部加工有定位孔，可以在不需要連接轉(zhuǎn)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下起到定位作用。
如圖4所示，捕獲框機(jī)構(gòu)8通過支撐板82連接在連接法蘭75上，實(shí)現(xiàn)和連接套筒 72同步轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐板82術(shù)端安裝有夾持塊81，夾持塊81外側(cè)為圓弧過渡，方便空間機(jī)械臂的抓取。夾持塊81是空心的，目的是減輕重量，兩個(gè)斷面安裝有端蓋83，防止灰塵等雜質(zhì)的進(jìn)入。
如圖5所示，飛輪系統(tǒng)12安裝于底板9的上表面，支撐法蘭121安裝于外殼下部 1212的中心，角接觸球軸承122安裝于支撐法蘭121中心凹槽的底部。軸套123安裝在角接觸球軸承122的上表面，其上部有凹槽與飛輪軸1 配合。飛輪電機(jī)定子IM安裝于支撐法蘭121的上方，飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子125通過飛輪軸1 定位在電機(jī)定子124的中心位置。上法蘭1 中心安裝角接觸球軸承127，固定在飛輪軸1 的上部，并通過固定支架1213同支撐法蘭121連接，保證飛輪軸128，電機(jī)轉(zhuǎn)子125和電子定子124的同軸度。飛輪輪緣1210 在周向通過螺栓與飛輪輪轂129固定，兩者同時(shí)固定在飛輪軸128的中部，同電機(jī)轉(zhuǎn)子125 一起轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生反作用力矩。編碼器1214安裝在飛輪軸128的上方末端，用以反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)全部安放于外殼上部1211和外殼下部1212組成的殼體中。
如圖6所示為具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)的總體控制流程。 控制中心機(jī)通過視覺和敏感姿態(tài)傳感器獲取信號(hào)，通過反作用飛輪和冷噴氣系統(tǒng)配合的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制動(dòng)作，通過控制算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)星的位置控制，姿態(tài)控制和軌道控制。
權(quán)利要求
1.一種具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)，它包括運(yùn)動(dòng)模擬器，衛(wèi)星模擬器和地面控制臺(tái)。運(yùn)動(dòng)模擬器模擬基座衛(wèi)星零重力、低摩擦、微干擾的狀態(tài)；衛(wèi)星模擬器在運(yùn)動(dòng)模擬器提供的衛(wèi)星在軌運(yùn)動(dòng)模擬環(huán)境下，具備基本的單軸姿態(tài)調(diào)整和軌道控制功能，包括敏感器、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)(反作用飛輪和冷噴氣系統(tǒng))，并且具備電源系統(tǒng)、無線通訊組件以及結(jié)構(gòu)組件等輔助系統(tǒng)；地面控制臺(tái)提供基本的目標(biāo)星與地面無線數(shù)據(jù)通訊功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星的控制以及數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和顯示功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)模擬器，其特征在于使用至少三個(gè)氣體靜壓推力軸承噴出高壓氣體使目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)浮于光滑工作臺(tái)面上，模擬太空中失重的狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)中的衛(wèi)星模擬器，其特征在于捕獲框通過氣浮滑塊和連接轉(zhuǎn)軸與目標(biāo)衛(wèi)星模擬器中的大理石導(dǎo)軌相連接，同時(shí)使用吊絲配重的方法平衡捕獲框的重力。氣浮滑塊通過噴出高壓氣體可以使捕獲框沿Z軸低摩擦自由平動(dòng)；捕獲框通過連接轉(zhuǎn)軸可以實(shí)現(xiàn)繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)五自由度的衛(wèi)星姿態(tài)模擬。氣體靜壓推力軸承和氣浮滑塊的高壓氣體通過高壓氣罐提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或3所述的具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)的衛(wèi)星模擬器，其特征在于目標(biāo)衛(wèi)星模擬器中安裝有8個(gè)噴嘴的冷噴氣系統(tǒng)，在目標(biāo)衛(wèi)星模擬器的四個(gè)側(cè)面背靠背安放，可以產(chǎn)生平動(dòng)力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩使目標(biāo)衛(wèi)星模擬器實(shí)現(xiàn)X、Y方向的平動(dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1或3的所述的具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)的衛(wèi)星模擬器，其特征在于反作用飛輪通過加減速產(chǎn)生反作用力矩，使目標(biāo)衛(wèi)星模擬器具有姿態(tài)調(diào)整能力，從而保證捕獲框處于正確的位姿。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)中的地面控制臺(tái)，其特征在于具有視覺和敏感姿態(tài)傳感器配合，反作用飛輪和冷噴氣系統(tǒng)配合的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)衛(wèi)星模擬器的位置控制，姿態(tài)控制和軌道控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)，其特征在于在所述的目標(biāo)衛(wèi)星模擬器中有平衡滑塊，用以平衡系統(tǒng)的重力偏心。
專利摘要
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間機(jī)器人微重力仿真平臺(tái)研究領(lǐng)域，尤指一種具有五自由度的微重力氣浮目標(biāo)衛(wèi)星模擬器系統(tǒng)。本發(fā)明由三個(gè)部分組成運(yùn)動(dòng)模擬器，衛(wèi)星模擬器和地面控制臺(tái)。運(yùn)動(dòng)模擬器模擬基座衛(wèi)星零重力、低摩擦、微干擾的狀態(tài)；衛(wèi)星模擬器在運(yùn)動(dòng)模擬器提供的衛(wèi)星在軌運(yùn)動(dòng)模擬環(huán)境下，具備基本的單軸姿態(tài)調(diào)整和軌道控制功能，包括敏感器、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)(反作用飛輪和冷噴氣系統(tǒng))，并且具備電源系統(tǒng)、無線通訊組件以及結(jié)構(gòu)組件等輔助系統(tǒng)；地面控制臺(tái)提供基本的目標(biāo)星與地面無線數(shù)據(jù)通訊功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星的控制以及數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和顯示功能。
文檔編號(hào)G05D1/02GKCN102520719SQ201110401549
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月6日
發(fā)明者馮永可, 孫漢旭, 張延恒, 艾晨光, 賈慶軒 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan