一种空间碎片清除系统构型及其设计方法与流程

本发明涉及空间碎片清除系统的结构设计，具体为一种空间碎片清除系统构型及其设计方法。
背景技术：
：采用主动碎片清除技术可以快速有效地减少空间碎片的数量。对于空间碎片清除系统，美国、欧洲和日本研究起步较早，已提出各自的碎片清除方案，部分关键技术已开展在轨演示验证。2010年8月，美国国防部高级研究计划局(darpa)公布了正在研制的空间碎片清除技术演示验证项目——电动碎片清除器(edde)。日本宇宙航空研究开发机构(jaxa)正在研究一种演示验证主动清除空间碎片技术的微小卫星系统——空间碎片微型清除器(sdmr)。采用机械臂捕获目标，然后将固定在机械臂上的电动力缆绳展开，自动调节缆绳倾角，以控制推力并避免缆绳失稳，携带碎片离轨。2010年，德国制动火箭空间(retrospace)公司提出了“制动火箭星(retrosats)”方案针对具体的清除系统，很多文献已经做了研究。现有的空间碎片清除系统主要包括刚性连接式抓捕、柔性连接式抓捕、非接触式移除方法以及其他新式方法。现有技术中的各种空间碎片清除系统构型相对较为复杂，稳定性相对较低，加之技术本身的限制，在民用方面的空间碎片的清除难以开展。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空间碎片清除系统构型及其设计方法，结构简单，设计合理，体积小巧，操作简单，工作范围大，控制方便。本发明是通过以下技术方案来实现：一种空间碎片清除系统构型，包括六自由度的基座，基座上对称设置的太阳帆板，沿基座垂直于太阳帆板方向运动的第一伸缩杆，嵌套于第一伸缩杆内部的第二伸缩杆，能够绕伸缩杆轴方向转动的第一关节，绕垂直于第一关节轴方向转动的第二关节，绕第二关节轴方向转动的第三关节，以及末端抓捕装置；所述末端抓捕装置由分别铰接在第三关节上的四个爪组成，每一个爪由三根能够独立运动的连杆依次铰接组成，每个连杆分别能够绕垂直于连杆的方向转动，每一个爪上连杆的铰接轴方向均平行设置。优选的，每一个爪由依次铰接的第一连杆、第二连杆和第三连杆组成，第一连杆的长度等于第一关节、第二关节和第三关节的长度总和。进一步的，在初始时刻，第一伸缩杆收缩于基座内部，第二伸缩杆位于第一伸缩杆内部，每一个爪均贴附于第一关节、第二关节和第三关节，每一个爪的部分收于第一伸缩杆内部。再进一步的，在初始状态时，每一个爪的第二连杆和第三连杆位于第一伸缩杆内部。优选的，第一伸缩杆、第二伸缩杆、第一关节、第二关节和第三关节的最大总长度为5.2m。优选的，所述的第三关节呈八边形板状设置，四个抓对称设置在八边形的四个边上，其余四个边呈内陷的弧形设置。一种空间碎片清除系统构型的设计方法，包括，步骤一，建立如上述任意一空间碎片清除系统，并对其建立三维模型；步骤二，对所提出的空间碎片清除系统进行动力学建模；步骤三，根据动力学模型，对所提出的空间碎片清除系统对于抓捕任务进行轨迹规划；步骤四，基于matlab中simulink的vr工具箱，根据得到的轨迹规划，完成对整个系统的虚拟现实仿真，验证建立的空间碎片清除系统的正确性，完成空间碎片清除系统构型的设计。优选的，步骤一中，利用catia建立空间碎片清除系统的三维模型。优选的，步骤二中，采用d-h表示法描述坐标系转换关系，基于拉格朗日动力学建模方法建立空间碎片清除系统动力学模型为：式中，b是惯量项，q为广义坐标，c是科里奥力和向心力项，g是重力项，τ是广义力。优选的，步骤三中，进行轨迹规划时，3.1通过正运动学方程得到清除系统末端坐标系原点位置；3.2在得到末端位置后，通过解析法求解逆运动学方程，得到相应的关节量；3.3基于得到的相应的关节量，在关节空间中，采用五次多项式进行轨迹规划。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明一种空间碎片清除系统的构型，用于空间碎片的主动清除，采用空间机械臂进行抓捕，通过两级伸缩杆的设置，能够极大的减小发射体积，同时不影响其他功能的作用和设置，利用不同运动自由度的关节设置，能够完成各种角度的控制和实现，通过三连杆爪的设置，保证了对抓捕目标的稳定可靠清除。进一步的，通过伸缩杆将两个连杆收缩到卫星基座当中，更好的减小了体积，满足发射体积约束。进一步的，通过对各个部件关系的设置，不仅满足了工作需求，而且提高了系统的可达工作空间。本发明所述的涉及方法针对空间碎片清除系统构型，能够针对不同任务给出了轨迹规划方法，并且通过基于虚拟现实进行视景仿真，保证系统可以很好的完成对空间碎片的抓捕。附图说明图1为本发明实例中所述空间碎片清除系统构型的结构示意图。图2为本发明实例中所述空间碎片清除系统构型关节处的放大图。图3为本发明实例中所述空间碎片清除系统构型爪处的放大图。图4为本发明实例中所述空间碎片清除系统构型第三关节的结构示意图。图5为本发明实例中所述空间碎片清除系统构型进行虚拟现实仿真中系统的初始状态。图6为本发明实例中所述空间碎片清除系统构型进行虚拟现实仿真中系统抓捕目标后的状态。图中，基座1，太阳帆板2，第一伸缩杆3，第二伸缩杆4，第一关节5，第二关节6，第三关节7，第一连杆8，第二连杆9，第三连杆10。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。本发明一种空间碎片清除系统构型，经过可行性分析，可以有效的完成任务。所述的空间碎片清除系统构型，除基座外具有17个自由度，同时基座可以自由移动，包括沿三个轴的平移和绕三个轴的转动。因此系统共有23个自由度。如图1-图4所示，所述的空间碎片清除系统构型包括：六自由度基座1，沿基座1垂直于太阳帆板2方向运动的第一伸缩杆3，嵌套于第一伸缩杆3内部的第二伸缩杆4，可以绕伸缩杆方向轴转动的第一关节5，绕垂直于第一关节5轴方向转动的第二关节6，绕第二关节6轴方向转动的第三关节7，以及连接在第三关节7上的末端抓捕装置。其中末端抓捕装置由四个爪组成，每一个爪由三根连杆组成，分别可绕垂直于杆的方向转动，对碎片进行抓握。爪的每一根连杆都可以独立运动。本发明所述系统中每一部件所采用的尺寸如下表：部件名称尺寸基座(只考虑主体部分)2.2m×1.6m第一伸缩杆r0.14m×l2m第二伸缩杆r0.06m×l1.8m第一关节l0.2m第二关节l0.18m第三关节l0.02m第一连杆l0.4m第二连杆l0.4m第三连杆l0.4m在初始时刻，如图1所示，第一伸缩杆3收缩于卫星基座1内部，第二伸缩杆4位于第一伸缩杆3内部，同时每一组爪贴附于第一关节5，第二关节6和第三关节7，部分收于第一伸缩杆3内部。在所选取的各部件长度情况下，初始状态时，第二连杆9和第三连杆10正好位于第一伸缩杆3内部，第一连杆8的长度与第一关节5，第二关节6和第三关节7总长度相同。如图4所示，第三关节7呈八边形板状设置，四个抓对称设置在八边形的四个边上，其余四个边呈内陷的弧形设置。本发明所述的空间碎片清除系统构型中采用伸缩杆，距离目标最大距离可达5.2m。在进行具体设计时包括如下的步骤。步骤一，建立如上所述的空间碎片清除系统，并利用catia建立空间碎片清除系统的三维模型；步骤二，采用d-h表示法描述坐标系转换关系，基于拉格朗日动力学建模方法建立系统动力学，式中，b是惯量项，q为广义坐标，c是科里奥力和向心力项，g是重力项，τ是广义力。在空间中，可忽略重力项。步骤三，通过正运动学方程可以得到清除系统末端坐标系原点位置p为，其中d1为第一伸缩杆的伸缩距离，d2为第二伸缩杆的伸缩距离，θ1为第一关节旋转角度，θ2为第二关节旋转角度。(px，py，pz)分别为末端坐标系原点在x，y，z方向坐标。通过解析法求解逆运动学方程，在已知逆运动学方程的基础上，给出末端位置，通过求解逆运动学方程，就可以得到相应的关节量。在关节空间中，采用五次多项式进行轨迹规划。进一步，步骤四中，采用matlab中simulink的vr工具箱，针对简单的抓捕任务，使用规划的轨迹，实现了系统的虚拟现实仿真。在实际设计中，如图5和图6，针对所设计的空间碎片清除系统动力学建模与轨迹规划结果如下。系统的惯性参数选取如下：仿真结果与adams进行对比，末端位置位移变化基本相同，可以一定程度上说明模型的正确性。给定末端期望位置(4.7，0.1，0.1)通过matlab仿真可以计算得到相应的关节量及速度和加速度。通过仿真图像可以得到，各关节量的速度及加速度值均很小，满足实际情况。采用五次多项式规划轨迹，可以防止加速度出现突变。当前第1页12