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申请/专利权人：河北工业大学

摘要：本发明公开了一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，包括空间碎片模拟机构和消旋机构；所述空间碎片模拟机构包括配重板、自转轴、转子、章动轴锁紧销、进动轴保持架、章动轴保持架、进动轴、编码器无线信号传输装置、进动轴锁紧销、底座、章动轴、第一深沟球轴承、带扣环嵌入单轴承型轴承座、单向推力轴承、第二深沟球轴承和轴承端盖；所述消旋机构包括六自由度机械手和末端执行器；所述六自由度机械手的末端安装有末端执行器；所述末端执行器包括机械手末端法兰盘、第一连接件、六维力传感器、弹性阻尼器、第二连接件和等压球体。该系统能够模拟空间碎片或失效航天器在空间轨道上的运动，并且采用末端执行器接触转子，模拟接触式消旋过程。

主权项：1.一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，其特征在于该系统包括空间碎片模拟机构和消旋机构；所述空间碎片模拟机构包括配重板、自转轴、转子、章动轴锁紧销、进动轴保持架、章动轴保持架、进动轴、编码器无线信号传输装置、进动轴锁紧销、底座、章动轴、第一深沟球轴承、带扣环嵌入单轴承型轴承座、单向推力轴承、第二深沟球轴承和轴承端盖；所述轴承端盖与底座连接；所述进动轴的一端通过第二深沟球轴承与轴承端盖连接，通过单向推力轴承与底座连接，另一端与进动轴保持架固定连接；所述章动轴的一端固定于进动轴保持架的通孔中，另一端通过第一深沟球轴承与章动轴保持架连接；所述带扣环嵌入单轴承型轴承座的轴承座固定于章动轴保持架上；所述自转轴的一端与带扣环嵌入单轴承型轴承座的轴承内圈连接，另一端穿过章动轴保持架并与章动轴保持架通过带扣环嵌入单轴承型轴承座连接，末端与外部动力源连接；所述转子嵌套于自转轴外，与自转轴连接；所述转子位于章动轴保持架内；编码器无线信号传输装置安装在章动轴保持架上，位于编码器无线信号传输装置内部的编码器放置在自转轴的轴端；编码器无线信号传输装置内部的编码器通过内部的无线装置与外部上位机连接；所述配重板安装在章动轴保持架上，能够改变自身重量；所述消旋机构包括六自由度机械手和末端执行器；所述六自由度机械手的末端安装有末端执行器；所述末端执行器包括机械手末端法兰盘、第一连接件、六维力传感器、弹性阻尼器、第二连接件和等压球体；所述等压球体通过第二连接件与弹性阻尼器连接，弹性阻尼器与六维力传感器连接，六维力传感器通过第一连接件与机械手末端法兰盘连接，机械手末端法兰盘安装在六自由度机械手的末端；转子开始做模拟空间碎片的运动后，利用六自由度机械手带动末端执行器运动，使等压球体与转子接触。

全文数据：—种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统技术领域[0001]本发明涉及空间碎片消旋领域，具体是一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统。背景技术[0002]随着人类空间开发利用活动的增加，空间碎片的存在会对空间轨道的环境产生重大的影响。一方面，空间碎片的存在严重地威胁着在轨航天器的安全，一旦发生碰撞，轻则破坏航天器，重则产生链式反应从而产生大量的空间碎片。空间碎片已失去姿态调整能力，且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的因素的影响往往会出现翻滚运动。因此，使其停止转动是安全有效捕获空间碎片的关键步骤。另一方面，借助于消旋技术人类能够回收出现问题的卫星，从而做到回收再利用，节省大量发射成本。文献（KAWAMOTOS，MATSUMOTOK，WAKABAYASHIS.Groundexperimentofmechanicalimpulsemethodforuncontrollablesatellitecapturing[C].Proceedingofthe6thInternationalSymposiumonArtificialIntelligenceandRoboticsAutomationinSpaceiSAIRAS，Montreal:CanadianSpaceAgency，2001•中的实验设备价格高昂，操作不便。发明内容[0003]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统。[0004]本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，其特征在于该系统包括空间碎片模拟机构和消旋机构;所述空间碎片模拟机构包括配重板、自转轴、转子、章动轴锁紧销、进动轴保持架、章动轴保持架、进动轴、编码器无线信号传输装置、进动轴锁紧销、底座、章动轴、第一深沟球轴承、带扣环嵌入单轴承型轴承座、单向推力轴承、第二深沟球轴承和轴承端盖；[0005]所述轴承端盖与底座连接;所述章动轴的一端通过第二深沟球轴承与轴承端盖连接，通过单向推力轴承与底座连接，另一端与进动轴保持架固定连接;所述章动轴的一端固定于进动轴保持架的通孔中，另一端通过第一深沟球轴承与章动轴保持架连接;所述带扣环嵌入单轴承型轴承座的轴承座固定于章动轴保持架上;所述自转轴的一端与带扣环嵌入单轴承型轴承座的轴承内圈连接，另一端穿过章动轴保持架并与章动轴保持架通过带扣环嵌入单轴承型轴承座连接，末端与外部动力源连接;所述转子嵌套于自转轴外，与自转轴连接;所述转子位于章动轴保持架内；编码器无线信号传输装置安装在章动轴保持架上，位于编码器无线信号传输装置内部的编码器放置在自转轴的轴端;编码器无线信号传输装置内部的编码器通过内部的无线装置与外部上位机连接;所述配重板安装在章动轴保持架上，能够改变自身重量；[0006]所述消旋机构包括六自由度机械手和末端执行器;所述六自由度机械手的末端安装有末％执仃器;所述禾％执行器包括机械手末端法兰盘、第一连接件、六维力传感器、弹性阻尼器、第二连接件和等压球体;所述等压球体通过第二连接件与弹性阻尼器连接，弹性阻尼器与六维力传感器连接，六维力传感器通过第一连接件与机械手末端法兰盘连接，机械手末端法兰盘安装在六自由度机械手的末端;等压球体与转子配合接触。[0007]与现有技术相比，本发明有益效果在于：[0008]1该系统能够模拟空间碎片或失效航天器在空间轨道上的运动，并且采用末端执行器接触转子，模拟接触式消旋过程。转子外围比较开阔，在实验过程中能够看作转子在无支撑的情况下做三轴旋转运动，对于空间碎片在太空中的模拟更加真实。同时六自由度机械手的末端执行装置的可操作空间比较大，因此实验系统的可操作性较强。此系统结构简单，运行可靠，精度高，可操作性强。[0009]⑵转子有三个旋转方式:随自转轴的自转、随章动轴保持架的转动、随进动轴保持架的转动。自转轴为转子的自转提供动力，章动轴保持架相对于进动轴保持架做旋转运动，进动轴保持架相对于底座做旋转运动，因此转子相对于自身能进行三轴旋转运动。用三个旋转方式模拟空间碎片在空间中的运动状态，对其在空间中运动能够做到精确控制。[0010]3使用了配重块，通过改变配重块的质量和控制转子的转速能够精确控制空间碎片模拟机构的进动角和章动角，从而保证了实验条件是可控的。[0011]4通过高分辨率编码器能够实时监测转子的转速，并且编码器能够与外部动力源和外部上位机形成闭环控制系统，在实验的开始时为转子施加能够精确控制的转速。编码器对自转轴监测的数据对实验结果的分析有很大的帮助，能够用于比较不同接触方法对消旋过程的影响，从而得出正确的实验结论。[0012]5编码器无线信号传输装置通过无线的方式把编码器采集的转速信息输出到上位机，避免了电源线和信号传输线对空间碎片模拟机构的牵扯，使整个机构整体性更强，整个机构的结构更简洁。因为这样能够使空间碎片模拟机构不受外力作用，所以对于空间碎片在太空中运动的模拟也更精确。[0013]6自转轴的一端加工成了方轴，能够使自转轴转速与外部动力源转速同步时安全脱出，保证了实验时空间碎片模拟机构运动的独立性。[00M]采用了等压球体，即球体表面上各点压力是相等的。等压球体与弹性阻尼器连接，弹性阻尼器能够缓冲碰撞带来的冲击力，用于保护六维力传感器。六维力传感器能够检测碰撞力的大小，从而实现实验过程中碰撞力的大小是可控的，能够用来分析实验结果。因为等压橡胶球与转子的碰撞是弹性碰撞，所以能够避免其对转子表面的破坏，能够进行多次实验，同时也保护了六自由度机械手不受冲击振动的破坏。附图说明[0015]图1为本发明机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统一种实施例的整体结构示意图；[0016]图2为本发明机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统一种实施例的空间碎片模拟机构左视示意图；[0017]图3为本发明机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统一种实施例的末端执行器轴测图；（图中：1、六自由度机械手;2、配重板;3、自转轴;4、转子;5、末端执行器;6、章动轴锁紧销;7、进动轴保持架;8、章动轴保持架;9、进动轴;10、编码器无线信号传输装置；u、进动轴锁紧销；12、底座；13、章动轴；14、第一深沟球轴承；I5、带孔环嵌入单轴承型轴承座；16、单向推力轴承;17、第二深沟球轴承;18、轴承端盖;19、机械手末端法兰盘;20、第一连接件；21、六维力传感器;22、弹性阻尼器;23、第二连接件;24、等压球体）具体实施方式[0018]下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。[0019]本发明提供了一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统（简称系统，参见图1-3，其特征在于该系统包括空间碎片模拟机构和消旋机构;所述空间碎片模拟机构包括配重板2、自转轴3、转子4、章动轴锁紧销6、进动轴保持架7、章动轴保持架8、进动轴9、编码器无线信号传输装置1〇、进动轴锁紧销11、底座12、章动轴13、第一深沟球轴承14、带扣环嵌入单轴承型轴承座15、单向推力轴承16、第二深沟球轴承17和轴承端盖18;[0020]所述轴承端盖18位于水平面上;所述轴承端盖18与底座12通过螺栓连接;所述章动轴9的一端通过第二深沟球轴承17与轴承端盖18连接，通过单向推力轴承16与底座12连接，另一端与进动轴保持架7固定连接;单向推力轴承16用于支撑章动轴9;章动轴9分别与第二深沟球轴承17的内圈和单向推力轴承16的内圈配合，第二深沟球轴承I7的外圈与轴承端盖18配合，单向推力轴承16的外圈与底座12配合;所述章动轴13的一端固定于进动轴保持架7的通孔中，另一端通过第一深沟球轴承14与章动轴保持架8连接;第一深沟球轴承14的内圈与章动轴13连接，外圈固定于章动轴保持架8中；所述带扣环嵌入单轴承型轴承座15的轴承座固定于章动轴保持架8上;所述自转轴3的一端与带扣环嵌入单轴承型轴承座15的轴承内圈连接，另一端穿过章动轴保持架8并与章动轴保持架8通过带扣环嵌入单轴承型轴承座15连接，末端与外部动力源连接，为转子施加旋转运动;所述转子4嵌套于自转轴3外，与自转轴3连接;所述转子4位于章动轴保持架8内，随章动轴保持架8的旋转而旋转;编码器无线信号传输装置10安装在章动轴保持架8上，位于编码器无线信号传输装置10内部的编码器放置在自转轴3的轴端，用于检测转子转速;编码器无线信号传输装置10内部的编码器通过内部的无线装置与外部上位机连接;所述配重板2安装在章动轴保持架8上，能够改变自身重量，用于形成不平衡力，使转子4在旋转后能够形成章动和进动，从而模拟空间碎片在空间中的运动;所述章动轴锁紧销6分别与进动轴保持架7和章动轴保持架8配合，用于限制空间碎片模拟机构章动;所述进动轴锁紧销11分别与进动轴保持架7和底座12配合，用于限制空间碎片模拟机构进动；[0021]所述转子4为圆柱形，具有良好的动平衡特性，有三个旋转方式：随自转轴3的自转、随章动轴保持架8的转动、随进动轴保持架7的转动。自转轴3为转子4的自转提供动力，章动轴保持架8相对于进动轴保持架7做旋转运动，进动轴保持架7相对于底座12做旋转运动，因此转子4相对于自身能进行三轴旋转运动，有三个旋转方式。[0022]所述编码器为高分辨率旋转编码器。自转轴与外部动力源连接的一端加工成了方轴。[0023]所述消旋机构包括六自由度机械手1和末端执行器5;所述六自由度机械手1的末端安装有末端执行器5，六自由度机械手1带动末端执行器5触碰转子4，使转子4在反作用力的作用下停止转动，实现空间碎片消旋的模拟;所述末端执行器5包括机械手末端法兰盘19、第一连接件20、六维力传感器21、弹性阻尼器22、第二连接件23和等压球体24;所述等压球体24通过第二连接件23与弹性阻尼器22连接，弹性阻尼器22与六维力传感器21连接，六维力传感器通过第一连接件2〇与机械手末端法兰盘19连接，机械手末端法兰盘19安装在六自由度机械手1的末端;等压球体24与转子4配合接触，利用反作用力与摩擦力实现空间碎片消旋的实验；[0024]所述六维力传感器21用于检测转子4三个旋转方式的三个方向的力和三个轴的力矩。所述弹性阻尼器22用于对冲击力进行缓冲。所述等压球体24用于工作时保持碰撞表面的压力相等，同时避免接触时破坏转子4的表面。等压球体24采用等压橡胶球。[0025]本发明机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统的工作原理和工作流程是：[0026]原理:1、进动是物体旋转时，自转轴3自身绕进动轴9转动的现象;章动是物体旋转发生进动时，自转轴3在绕进动轴9转动的过程中发生轻微抖动铅锤面内上下摆动）的现象。[0027]2、转子4受到力矩作用，根据角动量定理，力矩对转子4的冲量矩等于转子4角动量的改变量。[0028]3、配重板2即是为了使转子4产生力矩而设计的，由于力矩的存在能够改变转子4的角动量的大小和方向，从而产生进动和章动。[0029]4、编码器能够监测转子4的转速，转速变化的快慢能够用来衡量实验结果的好坏。[0030]工作流程：[0031]1.拔开章动轴锁紧销6和进动轴锁紧销11，再为空间碎片模拟机构加上若干块配重板2。[0032]2•编码器开始工作，使用伺服电机外部动力源带动自转轴3旋转至指定转速，此时转子4亦达到指定转速。[0033]3.伺服电机脱出，转子4开始做模拟空间碎片的运动。[0034]4•利用机械臂1带动末端执行器5运动，使等压橡胶球24与转子4接触，利用反作用力和摩擦力使转子4减速，模拟空间碎片消旋的过程。此时可以从计算机上位机上得到六维力力传感器21和编码器无线信号传输装置10传回的实时数据，以作进一步的分析。[G035]本发明未述及之处适用于现有技术。

权利要求：1.一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，其特征在于该系统包括空间碎片模拟机构和消旋机构;所述空间碎片模拟机构包括配重板、自转轴、转子、章动轴锁紧销、进动轴保持架、章动轴保持架、进动轴、编码器无线信号传输装置、进动轴锁紧销、底座、章动轴、第一深沟球轴承、带扣环嵌入单轴承型轴承座、单向推力轴承、第二深沟球轴承和轴承端盖；所述轴承端盖与底座连接;所述章动轴的一端通过第二深沟球轴承与轴承端盖连接，通过单向推力轴承与底座连接，另一端与进动轴保持架固定连接;所述章动轴的一端固定于进动轴保持架的通孔中，另一端通过第一深沟球轴承与章动轴保持架连接;所述带扣环嵌入单轴承型轴承座的轴承座固定于章动轴保持架上;所述自转轴的一端与带扣环嵌入单轴承型轴承座的轴承内圈连接，另一端穿过章动轴保持架并与章动轴保持架通过带扣环嵌入单轴承型轴承座连接，末端与外部动力源连接;所述转子嵌套于自转轴外，与自转轴连接;所述转子位于章动轴保持架内；编码器无线信号传输装置安装在章动轴保持架上，位于编码器无线信号传输装置内部的编码器放置在自转轴的轴端;编码器无线信号传输装置内部的编码器通过内部的无线装置与外部上位机连接;所述配重板安装在章动轴保持架上，能够改变自身重量；所述消旋机构包括六自由度机械手和末端执行器;所述六自由度机械手的末端安装有末端执行器;所述末端执行器包括机械手末端法兰盘、第一连接件、六维力传感器、弹性阻尼器、第二连接件和等压球体;所述等压球体通过第二连接件与弹性阻尼器连接，弹性阻尼器与六维力传感器连接，六维力传感器通过第一连接件与机械手末端法兰盘连接，机械手末端法兰盘安装在六自由度机械手的末端;等压球体与转子配合接触。2.根据权利要求1所述的机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，其特征在于所述章动轴锁紧销分别与进动轴保持架和章动轴保持架配合，用于限制空间碎片模拟机构章动；所述进动轴锁紧销分别与进动轴保持架和底座配合，用于限制空间碎片模拟机构进动。3.根据权利要求1所述的机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，其特征在于所述转子为圆柱形。4.根据权利要求1所述的机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，其特征在于所述编码器为高分辨率旋转编码器。5.根据权利要求1所述的机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，其特征在于自转轴与外部动力源连接的一端为方形轴端。6.根据权利要求1所述的机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，其特征在于等压球体采用等压橡胶球。

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