[发明专利]一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法

权利要求书

1.一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、空间机器人平台收紧机械臂，并机动至待抓捕空间碎片附近；

步骤二、通过机载的测量系统观测空间碎片的转动惯量主轴，并使机械臂末端器垂直于主转动惯量主轴；

步骤三、将机械臂末端器粘附在空间碎片上，使用机械臂末端器上粘附层抓捕空间碎片；开始捕获时，将末端器粘附在空间碎片的相应位置；此时，主转动惯量主轴上的旋转会带动空间机器人平台本体发生大幅度转动，另外两个方向的旋转会引起空间机器人平台小幅转动；因此，对空间碎片的消旋处理集中在消除绕主转动惯量主轴O_TY_T轴上的旋转；

步骤四、展开可折叠机械臂，使空间机器人平台和空间碎片之间的距离增加，提高整个组合体的转动惯量进行对空间碎片初步消旋；所述的步骤四具体为：

4.1，将该机械臂视作一根无质量刚性杆，整个空间机器人及空间碎片组合体简化为一个无质量杆连接两个刚体的模型，以组合体的三个惯量主轴建立坐标系O_SX_SY_SZ_S；

4.2，假设机械臂抓捕后不影响空间碎片各轴的转动方向，则基于角动量守恒定律，可得出如下方程：

J_Tω_T＝J_Sω_S (1)

其中ω_T＝[ω_Tx ω_Ty ω_Tz]^T和ω_S＝[ω_Sx ω_Sy ω_Sz]^T分别为空间碎片的初始角速度和抓捕后组合体的角速度，J_T＝diag[J_Tx J_Ty J_Tz]为空间碎片绕自身各惯量主轴的转动惯量；J_S为组合体绕自身惯性主轴的转动惯量，可写作：

J_S＝diag[J_Sx J_Sy J_Sz] (2)

其中J_Sz＝J_Bz+J_Tz，J_B＝diag[J_Bx J_By J_Bz]为空间机器人绕自身惯性主轴的转动惯量，m＝[m_B m_T]^T为空间机器人和空间碎片的质量，r＝[r_B r_T]^T为空间机器人质心和空间碎片质心到O_S的距离；

4.3，由公式(1)和(2)可得组合体的角速度：

因此，随着折叠机械臂的伸长L逐步增加，r_B和r_T也会相应增加，根据公式(3)可知，旋转角速度ω_Sx和ω_Sy会逐步减少；

步骤五、借助空间机器人平台上的喷气姿控系统进一步的消旋；

步骤六、收紧机械臂，回收空间碎片，完成整个消旋及回收过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：

2.1，首先通过机载的测量系统测出空间碎片的各转动惯量主轴，并测出其中角速度最大的一个惯量主轴，即主转动惯量主轴；

2.2，以空间碎片的三个惯量主轴建立局部坐标系O_TX_TY_TZ_T，再将主转动惯量主轴定义为该局部坐标系中的O_TY_T轴，同时以空间机器人的三个惯量主轴建立局部坐标系O_BX_BY_BZ_B，并使机械臂末端器法向O_BZ_B垂直于空间碎片的主转动惯量主轴。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间折叠机械臂的空间碎片消旋方法，其特征在于，所述的步骤五具体为：待可折叠机械臂完全展开后，通过空间机器人平台上的喷气姿态控制系统进一步对组合体进行消旋；基于角动量定律，可得：

∫M_Sdt＝J_sω_s (4)

由于

M_S为喷气力施加在组合体上的力矩，F_S为喷气力且l_B为组合体上喷气力到O_BO_T的距离，因此，M_S为一个常量，公式(4)可以改写为：

M_St_S＝J_sω_s (6)

其中t_S＝[t_Sx t_Sy t_Sz]^T为各轴上喷气消旋的时间；

将公式(5)代入到公式(6)可得：

与固定长度机械臂相比，在喷气力F_S恒定的情况下，由于力臂r_B的增加，使力矩M_S增大，可以减少整个消旋阶段的时间及能源。