本技術(shù)涉及航天模塊對接，具體是一種基于力反饋的柔順多自由度對接機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展，微納航天器在軌拼接技術(shù)逐漸成為航天領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于微納航天器采用了大量的高新技術(shù)，具有功能密度與技術(shù)性能高、投資運(yùn)營成本低、靈活性強(qiáng)、研制周期短、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的啟發(fā)下，由多顆微納航天器編隊(duì)飛行而構(gòu)成的“空間飛行集群”的概念被廣泛接受。而微納航天器在任務(wù)中通?？梢越M合拼接成大型航天器，這個(gè)過程中涉及航天器對接的相關(guān)技術(shù)問題。

2、模塊化微納衛(wèi)星技術(shù)與傳統(tǒng)衛(wèi)星不同，它將衛(wèi)星根據(jù)任務(wù)需求拆分為多個(gè)模塊，并通過接口互相拼接形成完整衛(wèi)星。可以通過更換故障模塊對微納模塊衛(wèi)星進(jìn)行維修，防止有效部件的浪費(fèi)，降低任務(wù)成本。另一方面，每個(gè)單獨(dú)的衛(wèi)星也可以作為一個(gè)模塊，并通過對接接口連接成一臺大型在軌任務(wù)執(zhí)行器，例如大口徑的太空望遠(yuǎn)鏡鏡面，這大大降低了任務(wù)的難度。

3、大型多組合體航天器指的是由小型的模塊航天器在軌組裝，自主拼接而成的航天器，其在軌組裝過程中的模塊化航天器集群自主對接是主要的技術(shù)難點(diǎn)，由于小型對接機(jī)構(gòu)體積小、調(diào)姿機(jī)構(gòu)精密，使得此對接機(jī)構(gòu)無法承受星體碰撞對接時(shí)產(chǎn)生的碰撞力。而傳統(tǒng)的被動(dòng)式緩沖機(jī)構(gòu)整體表現(xiàn)為柔性，無法滿足對接機(jī)構(gòu)高精度運(yùn)動(dòng)的需求，不適用于小型模塊化航天器，但是小型航天器對接過程并未因?yàn)轶w積質(zhì)量的降低而簡化，依然需要捕獲、緩沖、鎖定、分離等環(huán)節(jié)，因此小型航天器對接技術(shù)極為復(fù)雜。此外，對于有變構(gòu)需求的大型組合體航天器，若由模塊航天器拼接的話，整體構(gòu)型的調(diào)節(jié)也與各個(gè)模塊之間的對接機(jī)構(gòu)位姿相關(guān)，這要求模塊對接后，鎖定機(jī)構(gòu)既要保持良好的剛度，又要具有一定的位姿調(diào)節(jié)能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種高精度碰撞力采集系統(tǒng)、基于微距接近開關(guān)的對接鎖定判定裝置、基于模型預(yù)測的對接機(jī)構(gòu)柔順控制方法相結(jié)合的基于力反饋的柔順多自由度對接機(jī)構(gòu)，在大型多模塊組合體航天器的拼接變構(gòu)的場景下，實(shí)現(xiàn)了模塊之間的柔順對接，電磁鎖定裝置提供了300n的鎖定力，高靈敏度接近開關(guān)檢測距離0.8mm，響應(yīng)時(shí)間<0.5ms，滿足了小型航天器的對接需求，并且高精度力傳感器配合基于模型預(yù)測的對接機(jī)構(gòu)柔順控制方法，也可以實(shí)現(xiàn)模塊之間相對位姿的調(diào)節(jié)，精度可達(dá)±0.02mm和±0.002°。

2、本實(shí)用新型提供了一種基于力反饋的柔順多自由度對接機(jī)構(gòu)，包括被測面、動(dòng)平臺和靜平臺，動(dòng)平臺和靜平臺之間通過若干高精度虎克鉸連接，動(dòng)平臺外表面安裝有電磁鎖定裝置和導(dǎo)向槽，被測面上安裝有與電磁鎖定裝置配合連接的電磁接口以及與導(dǎo)向槽配合的定位槽，所述高精度虎克鉸環(huán)繞靜平臺圓周等距分布，每個(gè)高精度虎克鉸和靜平臺之間設(shè)置有碰撞力采集裝置；所述動(dòng)平臺外表面上的導(dǎo)向槽處設(shè)置有微距接近開關(guān)，微距接近開關(guān)實(shí)時(shí)檢測被測面和動(dòng)平臺之間的距離，在動(dòng)平面與被測面接近時(shí)由微距接近開關(guān)檢測是否靠近并控制電磁鎖定裝置工作。

3、進(jìn)一步改進(jìn)，所述靜平臺為正六邊形結(jié)構(gòu)，高精度虎克鉸分布在正六邊形結(jié)構(gòu)的六個(gè)角上。所述碰撞力采集裝置為高精度力傳感器。所述高精度力傳感器量程±29.4n，全范圍精度0.0294n，頻率響應(yīng)0~1000hz；高靈敏度微距接近開關(guān)檢測距離0~0.8mm，響應(yīng)時(shí)間<0.5ms，開關(guān)頻率0~2000hz。個(gè)高精度力傳感器一起對對接機(jī)構(gòu)進(jìn)行多維力反饋監(jiān)測，并且由基于模型預(yù)測的對接機(jī)構(gòu)柔順控制方法控制電機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)平面姿態(tài)，更加靈活地與被測面進(jìn)行對接，減少對接碰撞損失，從而使本對接機(jī)構(gòu)可以應(yīng)對條件更加特殊、精度要求更高的對接任務(wù)。

4、進(jìn)一步改進(jìn)，所述的電磁鎖緊機(jī)構(gòu)為三套失電型電磁鐵，單個(gè)磁吸裝置產(chǎn)生150n吸力。

5、進(jìn)一步改進(jìn)，所述的微距接近開關(guān)為高靈敏度的金屬傳感器，安裝在動(dòng)平面上，檢測到被測面接近時(shí)，返回一個(gè)信號值，使主控系統(tǒng)收到對接信號。

6、進(jìn)一步改進(jìn)，所述內(nèi)部繼電器在對接機(jī)構(gòu)的被測面與動(dòng)平面分離時(shí)，會收到控制系統(tǒng)發(fā)出的信號，使繼電器內(nèi)部磁鐵吸合，進(jìn)而作用于電磁鎖定裝置，使被測面與動(dòng)平面分離。

7、本實(shí)用新型有益效果在于：

8、1、所述的碰撞力采集系統(tǒng)使用高精度力傳感器對對接過程受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將所測量到的受力大小轉(zhuǎn)換為采集信號，采用基于模型預(yù)測的對接機(jī)構(gòu)柔順控制方法，基于采集信號實(shí)現(xiàn)模塊之間的柔順對接。

9、2、所述的基于微距接近開關(guān)的對接鎖定判定裝置使用位于動(dòng)平面定位銷處的高靈敏度接近開關(guān)以較高的頻率對被測面的距離進(jìn)行檢測，當(dāng)兩對接機(jī)構(gòu)進(jìn)行相互對接時(shí)，微距接近開關(guān)檢測到被測面接近，返回對接完成信號，主控系統(tǒng)收到信號后控制電磁鎖定裝置工作，將主動(dòng)對接面與被動(dòng)對接面吸合在一起，完成對接。

10、3、所述的高精度力傳感器的測量精度達(dá)0.0294n，6個(gè)高精度力傳感器同時(shí)對對接機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力監(jiān)測，并且采用基于模型預(yù)測的對接機(jī)構(gòu)柔順控制方法控制電機(jī)調(diào)節(jié)動(dòng)平面姿態(tài)，更加靈活地與被測面進(jìn)行對接，減少對接碰撞損失，使得對接機(jī)構(gòu)在保持位姿控制精度的同時(shí)，具有更強(qiáng)的對接環(huán)境適應(yīng)能力。

技術(shù)特征：

1.一種基于力反饋的柔順多自由度對接機(jī)構(gòu)，包括被測面、動(dòng)平臺和靜平臺，動(dòng)平臺和靜平臺之間通過若干高精度虎克鉸連接，動(dòng)平臺外表面安裝有電磁鎖定裝置和導(dǎo)向槽，被測面上安裝有與電磁鎖定裝置配合連接的電磁接口以及與導(dǎo)向槽配合的定位槽，其特征在于：所述高精度虎克鉸環(huán)繞靜平臺圓周等距分布，每個(gè)高精度虎克鉸和靜平臺之間設(shè)置有碰撞力采集裝置；所述動(dòng)平臺外表面上的導(dǎo)向槽處設(shè)置有微距接近開關(guān)，微距接近開關(guān)實(shí)時(shí)檢測被測面和動(dòng)平臺之間的距離。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于力反饋的柔順多自由度對接機(jī)構(gòu)，其特征在于：所述碰撞力采集裝置為高精度力傳感器。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于力反饋的柔順多自由度對接機(jī)構(gòu)，其特征在于：所述靜平臺為正六邊形結(jié)構(gòu)，高精度虎克鉸分布在正六邊形結(jié)構(gòu)的六個(gè)角上。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于力反饋的柔順多自由度對接機(jī)構(gòu)，其特征在于：所述高精度力傳感器量程±29.4n，全范圍精度0.0294n，頻率響應(yīng)0~1000hz；高靈敏度微距接近開關(guān)檢測距離0~0.8mm，響應(yīng)時(shí)間<0.5ms，開關(guān)頻率0~2000hz。

技術(shù)總結(jié)
本技術(shù)提供了一種基于力反饋的柔順多自由度對接機(jī)構(gòu)，包括被測面、動(dòng)平臺和靜平臺，動(dòng)平臺和靜平臺之間通過若干高精度虎克鉸連接，動(dòng)平臺外表面安裝有電磁鎖定裝置和導(dǎo)向槽，被測面上安裝有與電磁鎖定裝置配合連接的電磁接口以及與導(dǎo)向槽配合的定位槽，所述高精度虎克鉸環(huán)繞靜平臺圓周等距分布，每個(gè)高精度虎克鉸和靜平臺之間設(shè)置有碰撞力采集裝置；所述動(dòng)平臺外表面上的導(dǎo)向槽處設(shè)置有微距接近開關(guān)，微距接近開關(guān)實(shí)時(shí)檢測被測面和動(dòng)平臺之間的距離。本技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)模塊之間的柔順對接，并能夠在對接完成后根據(jù)需求改變機(jī)構(gòu)姿態(tài)改變超大型組合體航天器的構(gòu)型進(jìn)而在空間中實(shí)現(xiàn)不同的功能。

技術(shù)研發(fā)人員：李融冰,李嘯冉,邱金陽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：20240423
技術(shù)公布日：2025/1/9