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原文传递一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法

专利名称：	一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法
摘要：	本发明公开了一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，应用于处于预定轨道的空间机器人平台；本发明的方法为首先完成与待抓捕空间碎片的逼近；测出空间碎片的转动惯量主轴；使用带有粘附材料的末端器粘附抓捕空间碎片；通过展开可折叠机械臂，使空间机器人平台和空间碎片之间的距离增加，提高整个组合体的转动惯量来进行消旋；借助空间机器人平台上的喷气姿控系统进行进一步的消旋；最后收紧机械臂，回收空间碎片；本发明能够对空间碎片进行安全的接触式消旋处理，此外，通过展开可折叠机械臂能够提高喷气力消旋的力臂，可减少能源消耗，本发明可用于空间碎片的消旋和回收，也可用于其它旋转目标的消旋及控制。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	黄政;文浩;金栋平
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-04T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201910480406.7
公开号：	CN110217411A
代理机构：	江苏圣典律师事务所
代理人：	王慧颖
分类号：	B64G4/00(2006.01);B;B64;B64G;B64G4
申请人地址：	210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
主权项：	1.一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、空间机器人平台收紧机械臂，并机动至待抓捕空间碎片附近；步骤二、通过机载的测量系统观测空间碎片的转动惯量主轴，并使机械臂末端器垂直于主转动惯量主轴；步骤三、将机械臂末端器粘附在空间碎片上，使用机械臂末端器上粘附层抓捕空间碎片；步骤四、展开可折叠机械臂，使空间机器人平台和空间碎片之间的距离增加，提高整个组合体的转动惯量进行对空间碎片初步消旋；步骤五、借助空间机器人平台上的喷气姿控系统进一步的消旋；步骤六、收紧机械臂，回收空间碎片，完成整个消旋及回收过程。 2.根据权利要求1所述的一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，所述的步骤二具体为： 2.1，首先通过机载的测量系统测出空间碎片的各转动惯量主轴，并测出其中角速度最大的一个惯量主轴，即主转动惯量主轴； 2.2，以空间碎片的三个惯量主轴建立局部坐标系OTXTYTZT，再将主转动惯量主轴定义为该局部坐标系中的OTYT轴，同时以空间机器人的三个惯量主轴建立局部坐标系OBXBYBZB，并使机械臂末端器法向OBZB垂直于空间碎片的主转动惯量主轴。 3.根据权利要求1所述的一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，所述的步骤四具体为： 4.1，将该机械臂视作一根无质量刚性杆，整个空间机器人及空间碎片组合体简化为一个无质量杆连接两个刚体的模型，以组合体的三个惯量主轴建立坐标系OSXSYSZS； 4.2，假设机械臂抓捕后不影响空间碎片各轴的转动方向，则基于角动量守恒定律，可得出如下方程： JTωT＝JSωS (1) 其中ωT＝[ωTx ωTy ωTz]T和ωS＝[ωSx ωSy ωSz]T分别为空间碎片的初始角速度和抓捕后组合体的角速度，JT＝diag[JTx JTy JTz]为空间碎片绕自身各惯量主轴的转动惯量；JS为组合体绕自身惯性主轴的转动惯量，可写作： JS＝diag[JSx JSy JSz] (2) 其中JSz＝JBz+JTz，JB＝diag[JBx JBy JBz]为空间机器人绕自身惯性主轴的转动惯量，m＝[mB mT]T为空间机器人和空间碎片的质量，r＝[rB rT]T为空间机器人质心和空间碎片质心到OS的距离； 4.3，由公式(1)和(2)可得组合体的角速度：因此，随着折叠机械臂的伸长L逐步增加，rB和rT也会相应增加，根据公式(3)可知，旋转角速度ωSx和ωSy会逐步减少。 4.根据权利要求1所述的一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，所述的步骤五具体为：待可折叠机械臂完全展开后，通过空间机器人平台上的喷气姿态控制系统进一步对组合体进行消旋；基于角动量定律，可得： ∫MSdt＝Jsωs (4) 由于 MS为喷气力施加在组合体上的力矩，FS为喷气力且lB为组合体上喷气力到OBOT的距离，因此，MS为一个常量，公式(4)可以改写为： MStS＝Jsωs (6) 其中tS＝[tSx tSy tSz]T为各轴上喷气消旋的时间；将公式(5)代入到公式(6)可得：与固定长度机械臂相比，在喷气力FS恒定的情况下，由于力臂rB的增加，使力矩MS增大，可以减少整个消旋阶段的时间及能源。
所属类别：	发明专利