一种用于空间非合作目标消旋及捕获的地面模拟实验系统的制作方法

本实用新型涉及空间非合作目标消旋和捕获技术领域，具体是一种用于空间非合作目标消旋及捕获的地面模拟实验系统。

背景技术：

随着人类航天事业的不断发展和航天活动的日益频繁，在轨运行的航天器以及各类空间目标的数量不断增加。太空中由于航天器的失控或完全失效，以及火箭发射后火箭末级的残留，产生了许多人造大型空间碎片，而这些大型空间碎片的碰撞会持续产生碰撞衍生物，并在其周围形成碎片云，造成近地空间环境日益恶化，并对于轨道安全造成极大威胁。因此，开展空间非合作目标消旋和抓捕任务具有重要意义，但由于目前的技术限制，针对空间非合作目标的在轨抓捕方法无法进行太空实验，所以需要用地面实验系统对非合作目标的消旋和抓捕进行模拟。

如发明人之前的专利(一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统zl201820606406.8)中公开了一种机械脉冲式空间碎片主动消旋实验系统，该实验系统包括空间碎片模拟机构和消旋机构，实现了对空间碎片的模拟和消旋。但该实验系统未对机械臂实现空间的漂浮模拟，并且没有对消旋后目标实施捕获，不能满足后续捕获仿真的需要。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种用于空间非合作目标消旋及捕获的地面模拟实验系统。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是，设计一种用于空间非合作目标消旋及捕获的地面模拟实验系统，该实验系统包括空间非合作目标模拟机构、漂浮基机械臂机构、消旋末端、捕获末端，其特征在于：一个空间非合作目标模拟机构的外周设置有三个漂浮基机械臂机构，其中两个对称设置的漂浮基机械臂机构上安装有一个消旋末端，两个消旋末端相对设置，另一个漂浮基机械臂机构上安装有一个捕获末端；

所述空间非合作目标模拟机构包括正十二面体模拟外壳、外壳配重模块、气浮球轴承、模拟机构气缸、模拟机构第一平台、中央旋转轴、模拟机构第二平台、模拟机构支撑杆、模拟机构气瓶、模拟机构电机、模拟机构第三平台、模拟机构底部配重、模拟机构气足；所述正十二面体模拟外壳的内部为空心，其上表面和下表面为两个水平面，气浮球轴承设置于其内部且其内部的上端与气浮球轴承的转子的上部固定连接；外壳配重模块包括电机、丝杠和配重块，配重块安装在丝杠上，丝杠的一端与电机的输出轴通过轴联器连接，电机固定在面体模拟外壳的上表面或下表上；所述外壳配重模块为四个，其中两个一组对称的安装在面体模拟外壳的上表面和下表面上；所述模拟机构第一平台与中央旋转轴固定，并同其一起旋转；所述模拟机构气缸的气缸端盖固定在模拟机构第一平台上，活塞杆上的圆柱销与正十二面体模拟外壳下表面上的销孔配合，组成定位模块；所述模拟机构气缸为两个，对称的设置在中央旋转轴的两侧；

所述气浮球轴承的下端通过联轴器与中央旋转轴的上端相连；所述模拟机构第二平台通过模拟机构支撑杆与位于其下方的模拟机构第三平台连接，并且模拟机构第二平台中间设有圆形通孔，保证中央旋转轴的下部通过；所述底部配重模块有三组，包括配重杆和配重块，配重杆固定在模拟机构第三平台上，通过更换配重块的质量可实现对整个机构的调平；所述模拟机构气瓶固定在模拟机构第三平台上，其上设置有导气管分别为模拟机构气足、模拟机构气缸和气浮球轴承供气；模拟机构电机固定在模拟机构第三平台的中部，其输出轴通过轴联器与中央旋转轴的下端连接；所述模拟机构气足为三个，均匀的设置在模拟机构第三平台的下方，其底面与大理石平面接触，其上端与模拟机构第三平台的底面连接；

所述漂浮基机械臂机构包括六自由度机械臂、防护栏、电源系统、漂浮基第一平台、漂浮基支撑杆、漂浮基气瓶、漂浮基配重、漂浮基第二平台、漂浮基电机、滑块、漂浮基气足；所述六自由度机械臂的底座固定在漂浮基第一平台的中部；所述电源系统安装在漂浮基第一平台的一侧，通过导电线为六自由度机械臂供电；所述防护栏固定在漂浮基第一平台的边缘处；所述漂浮基第一平台通过漂浮基支撑杆与位于其下方的漂浮基第二平台连接；四个漂浮基气瓶和四个漂浮基配重均均匀固定在漂浮基第二平台上；所述漂浮基电机固定在漂浮基第二平台的下表面上，滑块通过滑道以丝杠螺母的形式与漂浮基电机的输出轴连接；四个漂浮基气足均匀的设置在于漂浮基第二平台的下方，其上端与漂浮基第二平台的底面连接，其底面与大理石平面接触；

所述消旋末端为机械冲击消旋末端，其一端通过法兰盘与六自由度机械臂的运动端相连，另一端对正十二面体模拟外壳进行消旋；

所述捕获末端为机械手抓，其一端通过法兰盘与六自由度机械臂的运动端相连，其另一端对消旋后的正十二面体模拟外壳进行抓取。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

(1)该实验系统通过气浮球轴承通气后生成的气膜，使目标模拟外壳产生漂浮的状态，模拟空间非合作目标在轨道上的运动，使得模拟更加真实。

(2)该实验系统通过双臂对目标进行机械冲击消旋，两个力作用形成力偶矩，不会使非合作目标产生平移，提高了消旋效率。最后通过机械手爪进行捕获，完整的模拟了太空中对非合作目标的消旋、捕获。整个实验系统结构简单，操作方便，便于安装。

(3)漂浮基机械臂机构上有静态配重和动态配重，静态配重由配重杆和配重块组成，用于实验前对漂浮基机械臂机构进行静态调平；动态配重由电机、滑道、滑块组成，通过反馈机械臂移动后质心的变化调整滑块的位置，实现对漂浮基机械臂机构的动态调平，更准确的模拟了空间中机械臂的状态。

(4)非合作目标模拟外壳采用正十二面体的设计，形状规则，外形美观，质心更容易得到控制，并且在模拟捕获的过程中，机械手爪有更多的着力点，方便抓取。

(5)四组配重模块位于非合作目标外壳上，通过电机带动滑块，使外壳产生偏心，进而产生进动和章动。通过调整质心的位置可实现对非合作目标进动和章动的控制，对实验过程的模拟有很大的帮助。

附图说明

图1为本实用新型用于空间非合作目标消旋及捕获的地面模拟实验系统一种实施例的整体结构轴测图；

图2(a)为本实用新型用于空间非合作目标消旋及捕获的地面模拟实验系统一种实施例的空间非合作目标模拟机构的结构示意图；图2(b)为图2(a)的沿a-a截面的剖视结构示意图。

图3为本实用新型用于空间非合作目标消旋及捕获的地面模拟实验系统一种实施例的漂浮基机械臂机构(未安装六自由度机械臂)结构示意图。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请的保护范围。

本实用新型提供一种用于空间非合作目标消旋及捕获的地面模拟实验系统(简称实验系统，参见图1-3)，该实验系统包括空间非合作目标模拟机构、漂浮基机械臂机构、消旋末端、捕获末端，其特征在于：一个空间非合作目标模拟机构的外周设置有三个漂浮基机械臂机构，其中两个对称设置的漂浮基机械臂机构上安装有一个消旋末端，两个消旋末端相对设置，另一个漂浮基机械臂机构上安装有一个捕获末端；

所述空间非合作目标模拟机构包括正十二面体模拟外壳7、外壳配重模块6、气浮球轴承12、模拟机构气缸5、模拟机构第一平台15、中央旋转轴14、模拟机构第二平台16、模拟机构支撑杆17、模拟机构气瓶18、模拟机构电机22、模拟机构第三平台20、模拟机构底部配重19、模拟机构气足21；

所述正十二面体模拟外壳7的内部为空心，其上表面和下表面为两个水平面，气浮球轴承12设置于其内部且其内部的上端与气浮球轴承12的转子的上部固定连接；外壳配重模块6包括电机、丝杠和配重块，配重块安装在丝杠上，丝杠的一端与电机的输出轴通过轴联器连接，电机固定在12面体模拟外壳7的上表面或下表上；所述外壳配重模块6为四个，其中两个一组对称的安装在12面体模拟外壳7的上表面和下表面上。所述模拟机构第一平台15与中央旋转轴14固定，并同其一起旋转；所述模拟机构气缸5的气缸端盖固定在模拟机构第一平台15上，活塞杆上的圆柱销与正十二面体模拟外壳7下表面上的销孔配合，组成定位模块13；所述模拟机构气缸5为两个，对称的设置在中央旋转轴14的两侧。

所述气浮球轴承12的下端通过联轴器与中央旋转轴14的上端相连；所述模拟机构第二平台16通过模拟机构支撑杆17与位于其下方的模拟机构第三平台20连接，并且模拟机构第二平台16中间设有圆形通孔，保证中央旋转轴14的下部通过；所述底部配重模块19有三组，包括配重杆和配重块，配重杆固定在模拟机构第三平台20上，通过更换配重块的质量可实现对整个机构的调平；所述模拟机构气瓶18固定在模拟机构第三平台20上，其上设置有导气管分别为模拟机构气足21、模拟机构气缸5和气浮球轴承12供气；模拟机构电机22固定在模拟机构第三平台20的中部，其输出轴通过轴联器与中央旋转轴14的下端连接；所述模拟机构气足21为三个，均匀的设置在模拟机构第三平台20的下方，其底面与大理石平面接触，其上端与模拟机构第三平台20的底面连接；

所述漂浮基机械臂机构包括六自由度机械臂2、防护栏3、电源系统10、漂浮基第一平台28、漂浮基支撑杆23、漂浮基气瓶24、漂浮基配重11、漂浮基第二平台25、漂浮基电机27、滑块26、漂浮基气足4；所述六自由度机械臂2的底座固定在漂浮基第一平台28的中部；所述电源系统10安装在漂浮基第一平台28的一侧，通过导电线为六自由度机械臂2供电；所述防护栏3固定在漂浮基第一平台28的边缘处；所述漂浮基第一平台28通过漂浮基支撑杆23与位于其下方的漂浮基第二平台25连接；四个漂浮基气瓶24和四个漂浮基配重11均均匀固定在漂浮基第二平台25上；所述漂浮基电机27固定在漂浮基第二平台25的下表面上，滑块26通过滑道以丝杠螺母的形式与漂浮基电机27的输出轴连接；四个漂浮基气足4均匀的设置在于漂浮基第二平台25的下方，其上端与漂浮基第二平台25的底面连接，其底面与大理石平面接触。

所述消旋末端1为机械冲击消旋末端，其一端通过法兰盘与六自由度机械臂2的运动端相连，另一端对正十二面体模拟外壳7进行消旋；

所述捕获末端为机械手抓，其一端通过法兰盘8与六自由度机械臂2的运动端相连，其另一端对消旋后的正十二面体模拟外壳7进行抓取；所述机械手爪的末端装有橡胶块9，减少对目标物体的摩擦。

本实用新型实验系统的工作原理与工作流程：

原理：正十二面体模拟外壳7通过气浮球轴承12和模拟机构气足21来实现五个自由度，模拟太空中的运动。当其绕中央旋转轴14定轴转动时，角速度矢量与惯性轴重合。通过控制外壳上的外壳配重模块6产生偏心，使角速度矢量与惯性轴不再重合，从而产生进动和章动。漂浮基机械臂机构的动态配重通过漂浮基第二平台25下方的漂浮基电机27与滑块26动态配重装置实现，根据六自由度机械臂2的姿态计算得出质心偏量，控制漂浮基电机27带动滑块26进行质心微调，直到把质心控制在合理范围内为止。正十二面体模拟外壳7受到两个相对的力作用，形成一对力偶，产生力偶矩。根据角动量定理，力矩对正十二面体模拟外壳7的冲量矩等于正十二面体模拟外壳7角动量的改变量。

工作流程：

步骤1、控制非合作目标模拟机构的模拟机构气瓶18，为模拟机构气足21供气，使模拟机构气足21与大理石面产生气膜。之后为模拟机构气缸5通气，带动气缸活塞杆上的圆柱销与销孔配合，对正十二面体模拟外壳7进行定位。为气浮球轴承12通气，使正十二面体模拟外壳7悬浮。

步骤2、启动模拟机构电机22，使中央旋转轴14带动模拟机构第一平台15、模拟机构气缸5、正十二面体模拟外壳7做定轴转动。

步骤3、模拟机构气缸5收缩，模拟机构电机22停转，气浮球轴承12带动非合作目标模拟外壳7按照模拟机构电机22提供的角速度继续自旋转动。外壳配重模块6中，电机旋转带动滑块(即配重块)移动，产生偏心，使非合作目标模拟外壳产生进动和章动，模拟空间中非合作目标的运动状态。

步骤4、控制漂浮基第二平台上25的漂浮基气瓶24，为漂浮基气足4通气。启动电源系统10为六自由度机械臂2供电，利用两个对称分布的六自由度机械臂2带动消旋末端1，利用反作用力和摩擦力使正十二面体模拟外壳7减速，模拟空间碎片消旋的过程。在六自由度机械臂2消旋过程中，漂浮基电机27转动带动滑块26滑动，对漂浮基机械臂机构进行动态调节。

步骤5、待正12面体模拟外壳消旋后，利用六自由度机械臂2带动机械手爪对目标进行抓捕，模拟空间捕获状态。在机械抓捕作过程中，漂浮基电机27转动带动滑块26滑动，对漂浮基机械臂机构质心进行动态调节。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。