空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法

摘要

本发明提供了一种空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法，属于空间翻滚目标消旋控制力测试技术领域。包括大理石隔振台、工业机器人底座、单自由度直线气浮导轨、滑块、转台、右限位块、左限位块、目标卫星、喷管、右侧太阳帆板、左侧太阳帆板、右侧拉力计、左侧拉力计、右侧可调弹性杆、左侧可调弹性杆、工业机器人和电磁消旋末端执行器。滑块上方转台提供两个测量工位，利用双拉力计结构测量气浮导轨启动摩擦力f0，及微小电磁消旋力在X、Y方向的分量，实现二维电磁消旋力的测量。该平台适合安装不同质量及尺寸的目标卫星，气浮导轨、滑块、转台及其附件均为花岗岩材料制造，适于静电、电磁环境下微小电磁消旋力的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法，属于空间翻滚目标消旋控制力测试技术领域。

背景技术

随着人类太空探索及各类航天任务的增多，在轨遗留的大量太空垃圾对空间环境及在轨航天器的安全构成严重威胁。对空间碎片的主动移除已成为各大航天机构的研究热点。由于自身姿控系统失效，空间碎片在空间摄动力影响下会出现翻滚运动，因此在抓捕前对其进行消旋是必不可少的阶段。

为保证翻滚空间碎片消旋过程中的安全性，非接触的消旋方式成为首选。通常可借助星间库仑力、电磁力、气体脉冲、激光和粒子束轰击方法对翻滚目标进行消旋。但这些消旋方式在进行地面验证都会遇到一个问题，如何精确测量非接触消旋力？通常这类消旋力都在百mN数量级，以失效卫星这类空间碎片为例，其质量通常在几十到几百Kg，采用C1精度(0.01％)称重测量系统，达到mN级测力精度时其量程只有1Kg，即使对于质量为几到几十Kg的小卫星，分辨率也难以满足需求。对于这类大载荷、小推力的工况进行测量需要采用新的测试系统进行测量。

在传感器分辨率难以大幅提升的情况下，采取质量平衡的方法抵消目标本身的质量则有利于微小力的测量。中国专利号ZL201210316957中提出了一种磁悬浮的方法利用高温超导体将目标悬浮起来，然后测量作用于目标上的微小力。但是当应用于翻滚目标静电消旋和电磁消旋力的测量时，高温超导体本身磁场会对静电及电磁消旋产生干扰，造成消旋力失真，而采用气浮的方式可以很好的避免这一现象，让测量平台对各类消旋方式具有通用性。通常气浮系统摩擦系数可达到10^-5数量级，见文献Rybus>

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法，包括：大理石隔振台、工业机器人底座、单自由度直线气浮导轨、滑块、转台、右限位块、左限位块、目标卫星、喷管、右侧太阳帆板、左侧太阳帆板、右侧拉力计、左侧拉力计、右侧可调弹性杆、左侧可调弹性杆、工业机器人和电磁消旋末端执行器。

其中，工业机器人与单自由度直线气浮导轨分别固定在相互独立的工业机器人底座和大理石隔振台上。工业机器人另一端与电磁消旋末端执行器固连。滑块在单自由度直线气浮导轨上方，在滑块两侧安装有右限位块和左限位块，转台与滑块固连，转台上安装目标卫星，目标卫星由喷管、右侧太阳帆板和左侧太阳帆板构成。右侧拉力计、左侧拉力计固定在单自由度直线气浮导轨上。右侧拉力计、左侧拉力计与滑块之间分别采用右侧可调弹性杆、左侧可调弹性杆固连。

所述单自由度直线气浮导轨材料包括花岗岩，长度为500mm，直线度为1μm。

所述滑块及转台材料包括花岗岩，滑块行程为200mm。

所述目标卫星外壳包括铝合金结构。

所述右侧拉力计和左侧拉力计为IMADA推拉力计，测力范围为0～5N，最小单位为1mN，过载能力为10N。

所述工业机器人为库卡六自由度工业机器人。

测量过程主要步骤如下：

步骤一、大理石隔振台调平，在测量开始前利用水平尺对大理石隔振台进行调平，保证测量时对测量结果干扰最小；

步骤二、测量滑块启动摩擦力为f₀，对单自由度直线气浮导轨通气，使滑块浮起，调整右侧拉力计，左侧拉力计的位置使其读数均归零，此时微调左侧可调弹性杆长度，产生mN级拉力作用在滑块上，在启动静摩擦力f₀作用下滑块位置不变，右侧拉力计示数仍为0，左侧拉力计示数随左侧可调弹性杆长度微调过程中继续增加，当右侧拉力计示数突变时左侧拉力计的读数即为启动摩擦力f₀，也可利用右侧可调弹性杆测量启动摩擦力f₀，多次测量后求平均值即为启动摩擦力f₀；

步骤三、将目标卫星及电磁消旋末端执行器移动到测量消旋力X方向分量的工位一，启动电磁消旋末端执行器，此时作用在目标卫星本体坐标系O₁X₁Y₁的O₁X₁方向的电磁消旋力F_x可通过力左侧拉力计和右侧拉力计读数的平均值减去启动摩擦力f₀得到；

步骤四、调整目标卫星及电磁消旋末端执行器移动到测量消旋力Y方向分量的工位二，按相同参数启动电磁消旋末端执行器，此时作用在目标卫星本体坐标系O₁X₁Y₁的O₁Y₁方向的电磁消旋力F_y可通过力左侧拉力计和右侧拉力计读数的平均值减去启动摩擦力f₀得到。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

一、本发明借助气浮系统利用高精度小量程拉力计即可实现大质量目标mN级力的测量。气浮摩擦系数为10^-5数量级，对10Kg数量级的目标满足mN级精度力测量。

二、对电磁环境无干扰，与超导悬浮测力装置相比，单自由度直线气浮导轨及其相关部件为花岗岩材料，不会干扰外部磁场，适合静电消旋、电磁消旋力的测量。

三、利用单自由度气浮导轨实现二维力的测量。通过转台及工业机器人的工位变换在工位一、二分别测量O₁X₁、O₁Y₁方向的电磁消旋力，实现静态消旋力在X、Y方向分量的测量。

附图说明

图1为一种空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法的结构示意图。

图2为一种空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法的测量电磁消旋力X方向分量的工位一位置示意图。

图3为一种空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法的测量电磁消旋力Y方向分量的工位二位置示意图。

图1中的附图标记，1为大理石隔振台，2为工业机器人底座，3为静压直线气浮导轨，4为滑块，5为转台，6为右限位块，7为左限位块，8为目标卫星，9为喷管，10为右侧太阳帆板，11为左侧太阳帆板，12为右侧拉力计，13为左侧拉力计，14为右侧可调弹性杆，15为左侧可调弹性杆，16为工业机器人，17为电磁消旋末端执行器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本实施例所涉及的一种空间翻滚目标电磁消旋微小消旋力测试平台及其测试方法，包括：大理石隔振台1、工业机器人底座2、单自由度直线气浮导轨3、滑块4、转台5、右限位块6、左限位块7、目标卫星8、喷管9、右侧太阳帆板10、左侧太阳帆板11、右侧拉力计12、左侧拉力计13、右侧可调弹性杆14、左侧可调弹性杆15、工业机器人16和电磁消旋末端执行器17。

其中，工业机器人16与单自由度直线气浮导轨3分别固定在相互独立的工业机器人底座2和大理石隔振台1上。工业机器人16另一端与电磁消旋末端执行器固连17。滑块4在单自由度直线气浮导轨3上方，在滑块4两侧安装有右限位块6和左限位块7，转台5与滑块4固连，转台5上安装有目标卫星8，目标卫星8由喷管9、右侧太阳帆板10和左侧太阳帆板11构成。右侧拉力计12、左侧拉力计13固定在单自由度直线气浮导轨3上。右侧拉力计12、左侧拉力计13与滑块4之间分别采用右侧可调弹性杆14、左侧可调弹性杆15固连。

所述单自由度直线气浮导轨3材料包括花岗岩，长度为500mm，直线度为1μm。

所述滑块4及转台5材料包括花岗岩，滑块4行程为200mm。

所述目标卫星8外壳包括铝合金结构。

所述右侧拉力计12和左侧拉力计13为IMADA推拉力计，测力范围为0～5N，最小单位为1mN，过载能力为10N。

所述工业机器人16为库卡六自由度工业机器人。

测量过程主要步骤如下：

步骤一、大理石隔振台1调平，在测量开始前利用水平尺对大理石隔振台1进行调平，保证测量时对测量结果干扰最小；

步骤二、测量滑块4启动摩擦力为f₀，对单自由度直线气浮导轨3通气，使滑块4浮起，调整右侧拉力计12，左侧拉力计13的位置使其读数均归零，此时微调左侧可调弹性杆15长度，产生mN级拉力作用在滑块4上，在启动静摩擦力f₀作用下滑块4位置不变，右侧拉力计12示数仍为0，左侧拉力计13示数随左侧可调弹性杆15长度微调过程中继续增加，当右侧拉力计12示数突变时左侧拉力计13的读数即为启动摩擦力f₀，也可利用右侧可调弹性杆14测量启动摩擦力f₀，多次测量后求平均值即为启动摩擦力f₀；

步骤三、将目标卫星8及电磁消旋末端执行器17移动到测量消旋力X方向分量的工位一，启动电磁消旋末端执行器17，此时作用在目标卫星8本体坐标系O₁X₁Y₁的O₁X₁方向的电磁消旋力F_x可通过力左侧拉力计13和右侧拉力计12读数的平均值减去启动摩擦力f₀得到；

步骤四、调整目标卫星8及电磁消旋末端执行器17移动到测量消旋力Y方向分量的工位二，按相同参数启动电磁消旋末端执行器17，此时作用在目标卫星8本体坐标系O₁X₁Y₁的O₁Y₁方向的电磁消旋力F_y可通过力左侧拉力计13和右侧拉力计12读数的平均值减去启动摩擦力f₀得到。

本实施例中，如图1所示，工业机器人16和单自由度直线气浮导轨3分别固定在相互独立的工业机器人底座2和大理石隔振台1上，以电磁消旋末端执行器17运动时振动对测力过程的影响。单自由度直线气浮导轨3为静压气浮导轨，安装在大理石隔振台1上。单自由度直线气浮导轨3为矩形结构，材料为花岗岩，对电磁环境无干扰。导轨长度为500mm，直线度为1μm。滑块4行程为200mm。供气方式为小孔节流供气，供气压力为0.5MPa，可承载目标卫星8模块质量为50Kg。在滑块4两侧安装有右限位块6、左限位块7，防止外力超过拉力计量程造成拉力计损坏。滑块4及转台5构成承载模块，用以安装目标卫星模块8。滑块4与单自由度直线气浮导轨3之间通过外部供入的气体形成承载气膜，滑块4在单自由度直线气浮导轨3运动X方向上可以实现近似无摩擦滑动。转台5与滑块4固连，转台5上有用来安装目标卫星8模块的安装孔及T型槽。利用转台5将目标卫星8模块转到互相垂直的两个工位，如图2，图3所示，可以实现X、Y两个方向力的测量。为避免干扰消旋电磁场环境，滑块4及转台5材料均为花岗岩。

目标卫星8模块由电磁消旋的目标——空间失效卫星组成，目标卫星8外壳为铝合金结构，由喷管9、右侧太阳帆板10和左侧太阳帆板11构成。目标卫星8为立方体结构，其导电外壳与电磁消旋末端执行器17作用时，会产生作用于目标卫星8上的电磁力。该电磁力通过目标卫星8本体传递到转台5及滑块4上，使滑块4产生微小移动，通过与滑块4相连的右侧拉力计12和左侧拉力计13测量这一mN级的电磁力。

右侧拉力计12和左侧拉力计13固定在单自由度直线气浮导轨3上，右侧拉力计12和左侧拉力计13与滑块4之间分别采用右侧可调弹性杆14和左侧可调弹性杆15固连。当滑块受到电磁力作用时直接传递到右侧拉力计12和左侧拉力计13时，利用小量程高精度右侧拉力计12和左侧拉力计13实现对传递的电磁力的测量。所选用的右侧拉力计12和左侧拉力计13为IMADA推拉力计，其测力范围为0～5N，最小单位为1mN，过载能力为10N。通过导轨右限位块6、左限位块限位块7及右侧拉力计12和左侧拉力计13本身的过载能力保证测量过程中不会对右侧拉力计12和左侧拉力计13造成损坏。

工业机器人16为库卡六自由度工业机器人，一端与工业机器人底座2固连，另一端与电磁消旋末端执行器17固连。电磁消旋末端执行器17由工业机器人16供电实现驱动。在地面模拟空间电磁消旋过程时，工业机器人16的六自由度机械臂带动电磁消旋末端执行器17运动至距离目标一定位置处模拟初始消旋状态下的相对位姿关系。

由于单自由度气浮导轨3只能测量一个方向作用力，在实际测力时通过转台5及工业机器人16的工位变换实现两个方向力的测量。在工位一测量O₁X₁方向的电磁消旋力F_x，之后将转台顺时针转动90°到达工位二，同时工业机器人16的六自由度机械臂带动电磁消旋末端执行器17运动至初始位置绕O₁旋转90°后的新位置。按相同参数驱动电磁消旋末端执行器17，测量O₁Y₁向的电磁消旋力F_y，实现对两个方向电磁消旋力分量的测量。

实施例1

本实施例对目标卫星8进行电磁消旋过程中的mN级二维电磁力测量主要步骤如下：

步骤一、大理石隔振台1调平，在测量开始前利用水平尺对大理石隔振台1进行调平，保证测量时对测量结果干扰最小；

步骤二、测量滑块4启动摩擦力为f₀，对单自由度直线气浮导轨3通气，使滑块4浮起，调整右侧拉力计12，左侧拉力计13的位置使其读数均归零，此时微调左侧可调弹性杆15长度，产生mN级拉力作用在滑块4上，在启动静摩擦力f₀作用下滑块4位置不变，右侧拉力计12示数仍为0，左侧拉力计13示数随左侧可调弹性杆15长度微调过程中继续增加，当右侧拉力计12示数突变时左侧拉力计13的读数即为启动摩擦力f₀，也可利用右侧可调弹性杆14测量启动摩擦力f₀，多次测量后求平均值即为启动摩擦力f₀；

步骤三、将目标卫星8及电磁消旋末端执行器17移动到测量消旋力X方向分量的工位一，启动电磁消旋末端执行器17，此时作用在目标卫星8本体坐标系O₁X₁Y₁的O₁X₁方向的电磁消旋力F_x可通过力左侧拉力计13和右侧拉力计12读数的平均值减去启动摩擦力f₀得到；

步骤四、调整目标卫星8及电磁消旋末端执行器17移动到测量消旋力Y方向分量的工位二，按相同参数启动电磁消旋末端执行器17，此时作用在目标卫星8本体坐标系O₁X₁Y₁的O₁Y₁方向的电磁消旋力F_y可通过力左侧拉力计13和右侧拉力计12读数的平均值减去启动摩擦力f₀得到。

本实施例中，采用静压气浮导轨浮起大质量的目标卫星8，利用高精度小量程拉力计实现了电磁环境下大质量目标上作用的mN级电磁力的测量。测量平台具备测量2自由度电磁消旋力的能力，目标安装转台适于对不同质量及尺寸目标进行测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。