_嫦娥五号_月球探测器着陆姿态模拟装置设计_高奔_部分1.docx

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1、笫37卷笫1期航天器环境工程Vol.37,No.1第20年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING65E-mail:htqhjgcTel:(010)68116407, 68II6408, 68116544(C) 1994-2020 China Academic Journal Electronic Publishing I louse. All rights resen ed. “嫦娥五号”月球探测器着陆姿态模拟装置设计高奔，韩佩彤，石光达，盆洪民*,冉江南，李祺（天津航天机电设备研究所，天津300458）摘要：着眼于在地面进行月球探测器着陆姿态模拟，以验证采样机械

2、臂的工作性能，文章采用升降平台加并联调姿平台的串、并混联机构形式，设计了一种能够满足俯仰和滚动姿态模拟以及升降高度调节需求的姿态模拟装置。调试和试验表明，升降平台高度范围满足450900mm;并联调姿平台在俯仰和滚动角度为20。20。时，机构运行稳定且没有发生结构干涉，姿态调节精度优于0.1。，满足使用要求。该装置成功应用于“嫦娥五号采样机械臂地面采样验证试验。串、并结合的混联机构形式也为后续姿态调节类模拟装置的设计提供了一种新思路。关键词：姿态模拟装置；并联调姿平台；升降平台；混联机构；结构设计；仿真分析中图分类号：V476.3文献标志码：A文章编号：16731379（2020）010065

3、08DOI:10.12126/see.2020.01.011DesignofalandingattitudesimulatorforChange-5spacecraftGAOBen,HANPeitong,SHIGuangda,PENHongmin*,RANJiangnan,LIQi(TianjinInstituteofAerospaceMechanicalandElectricalEquipment,Tianjin300458,China)Abstract:Tosimulatethelandingattitudeofthelunarspacecraftonthegroundfbrverifyi

4、ngtheperformancesofthesamplingarm,anattitudesimulatorofhybridmechanismsisdeveloped,combinedwithaliftplatformandaparallelattitudeadjustingplatform.Itisvalidatedbyteststoshowthattheliftplatfbnniscapableofadjustingtheheightinarangeof450900mm;whiletheparallelattitudeadjustingplatformenjoysaprecisionbett

5、erthan0.1,withnostructuralinterferenceatapitchangleandthesamerollanglebetween-20and20.ThissimulatorissuccessfullyappliedinthegroundexperimentofthelunarsurfacesamplingarmoftheChange-5spacecraft.Thetypeofthesimulatoralsooffersanewapproachfbrdesigningthesimilargroundexperimentequipmentfbrspacecraft.Key

6、words:attitudesimulator;paralleladjustmentplatfbnn;liftplatform;hybridmechanisms;structuraldesign;simulationanalysis收稿日期：2019-04-28;修回日期：2020-01-19基金项目：国家自然科学基金（青年基金）资助项目（编号：51705363）;探月工程三期引用格式：高奔，玮佩彤，石光达，等.“嫦娥五号”月球探测器着陆姿态模拟装置设计/.航天器环境工程,2020,37(1):65-72GAOB,HANPTtSHIGDtetal.Designofalandingattitud

7、esimulatorforChange-5spacecraft.J.SpacecraftEnvironmentEngineering,2020,37(1):65-7266航天器环境工程第37卷0引言1)升降平台的高度调节范围为450900采样机械臂是完成月面采样任务的关键设备。着陆器完成月面着陆后，由于着陆点月表的起伏和着陆器自身结构的原因，会发生一定的姿态和高度变化3汽对采样机械臂等设备的器上工作条件产生影响。因此，需要在地面进行探测器着陆姿态模拟，以充分验证机械臂功能和性能的有效性，诸如视觉系统的有效性、工作空间的可达性以及采样动作的合理性等，从而保证机械臂顺利完成采样任务。mm；2)在不

8、发生平动运动的情况下，俯仰和滚动姿态调整的转轴在空间位置尽可能保持不变；3)姿态模拟装置的俯仰和滚动角范围为-20。20。，旦两姿态角尽可能互不影响;4)组合体姿态调整误差优于0.1。M仰/滚动土20。探测器着陆姿态模拟装置为实现高度和姿态变化模拟，需要满足1平动+2转动的三自由度要求。在同等条件下，并联机构与串联机构相比，具有结构紧凑、承载大、精度高、动态性能好等优势【3-叫因而被广泛应用于姿态模拟和姿态调节的工况场合。其中三自由度并联机构研究和应用较多-此如3-RRS并联机构。一般情况下,3-RRS并联机构在动平台姿态变化时，两个姿态方向会产生伴随运动，且姿态调整的转轴在一般位置时均为瞬时

9、转轴，不总存在固定转轴，不利于对定轴的姿态变化的模拟。而含有中间被动约束支链的3UPS-PU并联机构因约束支链的存在阳支理论上动平台可以绕固定轴旋转，且3个自由度相互独立，运动过程中几乎无牵连产生，更加符合探测器姿态模拟的要求。考虑到模拟装置包络尺寸的限制以及功能需求，本文采用升降平台与并联调姿平台结合的混联机构形式，实现姿态模拟装置对探测器着陆姿态的模拟。通过理论计算，结合虚拟样机仿真分析1，完成模拟装置的设计，并进行调试试验验证。1着陆姿态模拟装置主要性能要求图1示出了着陆姿态模拟装置的主要性能要求,其具体描述为：006EE l0空目.F餐封后号态模拟奘置图1着陆姿态模拟装置性能要求示意F

10、ig.1Performancerequirementsofthelandingattitudesimulator2着陆姿态模拟装置设计2.1总体结构着陆姿态模拟装置的主要结构如图2所示。其中，并联调姿平台主要完成姿态调整和高度方向的微小补偿；升降平台实现组合体在要求的高度范围内的升降运动。升降平台与并联调姿平台相互独立，为可拆卸结构。模拟装置的控制系统采用“运动控制卡+伺服电机”的方案，实现姿态调整和升降功能的控制，整个控制系统集成于单独的电控柜中。升降平台支挣顶角同样为的等腰三角形，其外接圆半径为r；中间恰约束支链与基座固连，并通过虎克较与动平台连接，虎克较两轴线分别平行和垂直于直线pip2

11、。建立固定参考坐标系OXYZ,原点。设于囱&外接圆圆心，Z轴竖直向上，X轴和丫轴分别与PW2垂直和平行，具体方向参见图4所示；建立固连于动平台的坐标系Cxyz,原点C设于2P3外接圆圆心，z轴垂直于上平台张成的平面向上，x轴图2着陆姿态模拟装置组成Fig.2Structuralcompositionofthelandingattitudesimulator2.2并联调姿平台2.2.1 调姿机构的构型调姿机构采用3UES/PU构型(如图3所示)，主要包括静平台、3条主动推杆(URS)、1条恰约束中间支链(PU)以及动平台。根据经典自由度计算公式可得其自由度为N=6x84x(62)4x(61)3x

12、(63)=3。由中间约束支链与动平台连接形式不难得出，机构的3个自由度为2转动(静平台平行平面)+1平动(垂直于静平台平面方向)。和y轴分别与中间支链虎克较轴线重合，具体方向参见图4所示。3条主动推杆的杆长分别为/,(/=1,2,3)，方向为Si(z=l,2,3);。为中间支杆长度,54表示其方向。令机构初始高度为0,各杆件初始长度分别为/0(z=l,2,3,4)o图43URS/PU机构简图Fig.4Schematicdiagramof3UPS/PUmechanism在参考坐标系OXYZ中，屐点8(六1,2,3)的坐标可以表示为B=-AQ01第1期高奔等：“嫦娥五号”月球探测器着陆姿态模拟装置

13、设计67图33UES/PU机构构型B23i=(Rsinm)2-Y),Rcos(7t/2r),0)4。(1)Fig.3Configurationof3UPS/PUmechanism2.2.2机构位置和速度逆解1)运动学位置逆解图4为3URS/PU并联机构简图，主要包含动平台、主动推杆、被动支链和基座。其中主动推杆与基座通过虎克较连接，连接点5、&、&构成顶角为了的等腰三角形，其外接圆半径为此主动推B=(T?sin(7r/2-7),-Reos(兀/2y),()同理，在动坐标系C中z中,上平台在点p“i=123)的坐标可以表示为cPi=,0,0)T杆与动平台通过球较连接，连接点1、2、P3构成ZJ，

14、p32=(/*sin(7r/2-y),rcos(7t/2-Y),0)TT。 (2)的杆长；式(7)和式(8)分别为相应位形下，主动推杆/，和被动支链/4的方向矢量。2)速度逆解令Cp=(rsin(兀/2p),rcos(兀/2-y),0)为方便设计和计算，这里取尸60。如前所述，该机构具有2转动+1平动自由度，即绕X、丫轴的转动自由度和沿z轴的移动自由度。对于动平台的姿态，这里采用相对参考坐标系OXYZ的欧拉角形式描述，具体为相对QXYZ坐标系进行KKZ变换，由于机构并没有Z方向的转动自由度，所以采用2次变换可以得到旋转矩阵，令绕固定坐标系X轴转a,再绕固定轴y轴转动夕，可以得到旋转矩阵Rt为1 Rt=Rot(K,p)Rot(Aa)=yxz0yxz1ycosa-sinacosp0sinp100-sinp0cosp0sinacosacospsinasinpcosasinp0cosa-sina=sinpsinasinpcosacosp/mnxImno(3)/mn2由式(2)和式(3)可以得到点p4=123)在参考坐标系QATZ下的表示为P