主被动复合驱动空间探测柔性伸杆机构的参数匹配

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252014V01．35No．1268—278ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．educn主被动复合驱动空间探测柔性伸杆机构的参数匹配楚中毅1’2一，雷宜安1’21．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京1001912．北京航空航天大学惯性技术重点实验室，北京100191摘要：基于主被动复合驱动的思想提出一种大伸展／收拢比、高载

2、荷／自重比的新型伸缩式伸杆机构，以满足微纳探测器的实际应用需求，用于支撑各类探测载荷远离航天器本体，避免本体剩磁对空间待测信号的干扰，保证探测数据的准确性。首先。探索描述被动驱动源(弹簧铰链)的力矩驱动特性；然后，分析柔性伸杆的弯曲、扭转、压平和卷曲等力学性能。在此基础上，结合建立的柔性伸杆伸展速度、负载动能、弹簧铰链势能及主动驱动(电动机)力矩等参数的能量流约束方程，进行主、被动驱动和柔性伸杆的参数匹配研究；最后，利用有限元软件仿真和样机平台实验验证了参数匹配的合理性。仿真与实验结果表明，针对主

3、被动复合驱动的空间探测柔性伸杆机构，通过合理的参数匹配，可实现柔性伸杆无褶皱地平稳伸展和收拢，为后续的机构设计和控制方案奠定了基础。关键词：伸杆机构；主被动复合驱动；参数匹配；能量约束；空间探测中图分类号：V448．22+2；V476文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)Ol一0268—11近年来，随着现代微电子和空间技术的发展，利用多微纳探测器(微纳卫星集成外伸探测载荷)分布式组网编队进行空间探测和对地观测已成为国内外空间科学与技术领域的研究热点之一。与此同时，为了满足探测任务的

4、需求和性能要求，避免航天器平台剩磁对空间待测信号的干扰，必须采用伸杆机构支撑各类探测载荷或传感器远离卫星本体，以保证探测数据的准确性和空间信息的精确度。伸杆机构作为空间科学探测、天基遥感系统等领域的支撑性技术，具有重要的科学研究意义和广阔的工程应用前景[1]。伸杆机构通常有两种稳定状态：完全收拢和完全展开。收拢时，结构体积较小，需要时，可展开至工作状态，其末端可携带探测载荷。从动力源的类型分类，可分为主动式和被动式两种，主动式通常以伺服电动机等为动力源，通常可重复伸展，近二十年来发展迅速心]。从机

5、构形式来看，主要包括桁架式[3。4]、充气式[5]、套筒伸缩式[6]和薄壁管伸缩式[7剐等。其中，薄壁管伸缩式机构利用薄壁壳材料的弹性变形能完成展开，由于其质量轻、收拢体积小的突出优势，近年来受到了国内外学者的广泛关注，Hakkak和Khoddam分析了柔性伸杆在拉伸、弯曲和扭转等载荷作用下的力学性能[93；Guest和Pellegrino基于壳结构理论研究了圆柱形薄壳的柔性伸杆性能[1⋯，相关工作为柔性伸杆的力学分析和结构设计奠定了良好的基础。然而，在柔性伸杆伸展／收拢过程中，仅依靠电动机单一驱

6、动，无法克服伸展过程易褶皱且能收稿日期：2013．04．24；退修日期：2013—05-21；录用日期：2013—06—13；网络出版时间：2013-06-1708：43网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail门1．1929．V20130617．0843002．htmI基金项目：国家自然科学基金(51375034，50905006)*通讯作者．Tel：010-82339013E．mail：chuzy@buaaedu．C11戮用格武IChuZY．LeiYAParametermat

7、chingfordeployablemanipulatorwithactive-passivecompositedriverinspaceprobeEJ7．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(”：268-278．楚中毅．雷宣安ii被动复合驱动空阊探翱柔性伸轩机构的参数匹配[J]．航空学报，2014．35(”：268-278楚中毅等：主被动复合驱动空间探测柔性伸杆机构的参数匹配耗高等不足。另外一些学者尝试研究以弹簧铰链为代表的被动驱动方式[1卜12

8、]，其中代表性的包括Soykasap等的工作，其对弹簧铰链准静态展开力矩一变形量之间的关系及其展开动力学行为进行了仿真分析[13

9、，Mallikarachchi和Pellegrino对弹簧铰链的稳态展开力矩和变形量的映射关系进行了分析和实验研究[14

10、，但被动驱动存在展开／收拢不可控且精度差等缺陷，且通常仅适用于一次性展开机构。本文尝试结合主被动驱动的优势，基于复合驱动的思想提出一种新型伸缩式伸杆机构。机构伸展过程中，电动机(主动驱动源)克服弹簧铰链(被动驱动源)的势能作用，同时导