多面体网型空间抓捕机构的设计与分析

发布时间：2020-08-13 14:08

【摘要】：随着人类对太空的探索和开发,太空任务的需求日益增多,空间在轨服务技术越来越受关注,空间在轨抓捕技术作为实现在轨加注燃料、组装空间站、空间救援等空间在轨服务任务的基础也成为了当前的研究热点,各国都开始对此类技术进行深入的研究。本文以空间在轨服务中的卫星救援、辅助变轨任务为应用背景,提出了一种可折展缩放、适应多种尺寸目标的多面体网型空间抓捕机构。机构以3-RRS并联操作机构为主体构型,将Bricard闭环缩放机构作为末端执行器与3-RRS并联操作机构结合在一起,二者共同组成抓捕机构的原理构型。1)通过对并联机构平台进行可变形机构设计,提出抓捕功能与操作功能相集成的多面体网型空间机构。机构整体由3自由度的3-RRS并联操作机构和1自由度的Bricard闭环缩放机构(可变形平台)组成,基于自由度分析,机构可实现1自由度平台缩放、4自由度整体缩放和3自由度操作功能;2)通过缩放功能与操作功能的组合,多面体网型抓捕机构可实现满足在轨服务抓捕需求的手爪式与网式抓捕运动,并进行了策略规划。抓捕远距离目标时,通过对3-RRS并联操作机构的支链控制使可变形平台运动至最远端,配合作为手爪的可变形平台实现手爪式抓捕;抓捕近距离目标时,通过机构整体的收缩变形实现网式抓捕;3)机构实现抓捕后,可通过三支链的驱动实现操作功能。可变形平台完成抓捕后锁死使机构整体等效为3-RRS并联操作机构,此时可实现两转动一移动(2R1T)的运动,用以满足后续操作所需的角度与距离微调。本文对该机构的自由度、运动学正/逆解、奇异位形和工作空间进行了分析,将该机构用于空间在轨抓捕的动作模式进行了运动规划。在对机构的运动进行理论分析的基础上,运用ADAMS机械仿真软件构建机构的虚拟样机模型,对机构的运动进行验证,同时对机构的动力学特性进行了仿真分析,还结合机构的工况环境,对机构的抓捕性能进行了仿真测验。以仿真得到的数据为基础,对机构进行了原理样机设计、加工与组装,并进行了地面平台试验。地面平台试验结果表明,设计的空间抓捕机构运动明确,可以实现预期的折展、调姿和两种抓捕动作。本文提出了一种可用于空间在轨抓捕任务的新型机构,并分析了该新型机构的运动特性,结合相关软件进行了仿真分析,最后进行了实物样机研制和试验,证明了结论的正确性,为空间抓捕机构的研究提供了新思路。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V423
【图文】：

Ｆｉｇ．邋１－２邋ＦＲＥＮＤ邋ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ邋ｉｎ邋ｔｅｓｔ逡逑（２）邋“锥一杆”式机构抓捕方案逡逑欧洲研发的“锥型快车”（ＣＸ－ＯＬＥＶ）空间飞行器Ｍ和ＳＭＡＲＴ＿ＯＬＥＶ空间飞逡逑行器采用的是“锥一杆”式的抓捕机构方案，如图１－３所示。由于抓捕机构的逡逑整体造型呈锥状，其核心抓捕部件是一根细长的杆件，因此得名“锥一杆”式抓逡逑捕机构。该方案通过把核心部件细杆探入需要抓捕的目标飞行器的发动机喷管的逡逑内部，再利用自身的锁紧装置将杆件和喷管二者固连锁死，来达成对目标飞行器逡逑的稳定抓捕［１１］。在抓捕完成后，服务飞行器可对目标飞行器进行后续的燃料补充、逡逑零部件替换等操作，同时，服务飞行器也可以拖动目标飞行器帮助其进行轨道的逡逑变换。下面对“锥一杆”式抓捕机构的工作原理（如图１－４所示）进行详述。逡逑“锥一杆”式抓捕机构是以某一类飞行器都具备有发动机喷管和星箭对接环逡逑这两种特殊结构作为基础而设计的，因其特性，该种抓捕机构方案对大部分的地逡逑球同步轨道（Ｇｅｏｓｔａｔｉｏｎａｒｙ邋Ｅａｒｔｈ邋Ｏｒｂｉｔ，ＧＥＯ）飞行器都可以使用，对此类飞行器逡逑有着较高的适用性。此种抓捕机构大致可以分解成两个子系统：一个子系统是针逡逑对飞行器上的发动机喷管的对接机构子系统，该子系统主要包含了一套伸缩驱动逡逑

与目标飞行器之间完成了稳定的固连，二者之间的相对位姿不会再发生变化［１２］。逡逑Ｍｋｍ逡逑图１－３邋“锥一杆”式抓捕机构结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋＂Ｃｏｎｅ－ｒｏｄ＂邋ｔｙｐｅ邋ｃａｐｔｕｒｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ逡逑ｆ—逡逑ｆ＂邋＿了邋半：，逡逑ｊ－邋■逦▲邋：－逦４逦１逦Ｉ逡逑ａ邋ｆａ邋ａ邋ｍｋＡ逡逑１逦＾逦逦ｉｎｉ邋ｍｍ邋以广—？邋＾、＂一逡逑图１－４ＣＸ－０ＬＥＶ抓捕机构工作原理图逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＣＸ－ＯＬＥＶ邋ｃａｐｔｕｒｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ逡逑４逡逑

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【参考文献】

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本文编号：2792106