專利名稱：一種空間用多冗余備份stewart平臺支撐桿的制作方法
技術領域：
本發明涉及空間飛行器平臺，特別涉及一種空間用多冗余備份stewart平臺支撐桿。
背景技術：
Stewart平臺(又稱hexapod平臺)是一種六自由度空間井聯機構，自從其誕生至今40多年來已被廣泛應用于姿態產生器、空間飛行器對接機構、外科手術和數控加工等領域。Stewart平臺是一種并聯機構，其產生可以追溯到十九世紀初。1813年，法國學者Canchy曾研究過并聯機構。1931年,Gwinnett提出了一種基于球面并聯機構的娛樂裝置。1940年，Pollard提出了一種用于汽車噴漆的工業空間并聯裝置。1947年英國人Gough采用并聯機構設計了一種6自由度的輪胎測試機，這種機構被稱為六足結構(Hexapod)。這類的輪胎測試機器從1954年被投入使用，直到2000年才退出歷史舞臺，并被送入英國國家科學和工業博物館。1965年，Stewart設計了一種含有3個支鏈的6自由度運動平臺，并提出將其應用于飛行模擬器并通過研究論文的方式第一次向世界展示了并聯機構，在當時引起了學術界的廣泛關注和興趣。但是，第一個真正利用并聯機構建造飛行模擬器的是一位同時代的美國工程師Klaus Cappel0 Cappel于1964年提出了一個稱為八面體的六腿機構(Octahedral Hexapod)的專利，并于1967年獲得批準。在此期間,他利用該機構建造了世界上第一個飛行模擬器。Stewart平臺用于航天器的研究升始于20世紀60年代初期。1963年3月，美國"雙子星座"載人飛船的"阿金娜"火箭在宇航員的參與下實現了人類歷史上首次空間對接作。實現對接和捕獲功能的最著名的機構是由美國和前蘇聯專家共同研制成功的異體同構周邊式對接機構，型號是APAS-75。APAS-75對接機構實現了蘇聯“聯盟號”飛船和美國“阿波羅”飛船的對接。stewart平臺是APAS-75上碰撞緩沖的重要裝置，是對接成功的關鍵。在APAS-75基礎上研制了用于國際空間站的APAS-89式對接機構，是國際空間站的組裝和維持運行的標準配置。2009年4月，歐洲最大的空間天文望遠鏡赫歇爾的副鏡也采用了一個stewart平臺作為微調機構。從結構上看，Stewart機構的動平臺通過六個相同的獨立支撐桿與安裝平臺相聯接，每個分支中含有一個聯接動平臺的球面副、一個移動副和一個聯接定平臺的球面副，通過對運動副的重組形成了一系列6自由度并聯機構。空間環境非常惡劣，存在真空、高低溫交變沖擊和粒子輻射。空間用stewart平臺支撐桿中的絲桿潤滑困難，在高真空環境下，絲杠容易因冷焊卡死。在高低溫環境的沖擊下，由于熱膨脹系數不一致，絲杠也很容易卡死，并有可能引起電機堵轉燒毀。同時，由于空間粒子輻射，電機容易因粒子沖擊造成損壞。航天器發射后一般是無法維修的，而空間stewart平臺的六個并聯支撐桿又是單點失效的。因此，研制具有多冗余備份的空間stewart平臺支撐桿結構是具有非常大的現實意義的。
目前沒有發現同本發明類似技術的說明或報道，也尚未收集到國內外類似的資料。

發明內容
為了解決空間stewart平臺支撐桿單點失效的問題，本發明的目的在于提供一種空間用多冗余備份stewart平臺支撐桿，利用本發明的多冗余備份支撐桿，可以在保留stewart平臺高精度和高剛度優點的同時,還具有多種冗余備份的優點,提高了 stewart平臺的穩定性。為了達到上述發明目的，本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種空間用多冗余備份stewart平臺支撐桿，該裝置包括:外安裝桶內安裝有內安裝桶，內安裝桶的中心位置安裝有絲杠；在內安裝桶外側的上部，安裝有直線電機轉子線圈和備份直線電機轉子線圈。在外安裝桶內側的上部，安裝有直線電機定子和備份直線電機定子。在內安裝桶與外安裝桶之間安裝有直線軸承，實現移動副的功能。在內安裝桶外側的下部，依次安裝有主電機定子線圈和備份電機定子線圈，它們的內側安裝有電機轉子線圈，在主電機定子線圈的上方安裝有軸承，由軸承擋圈固定；在備份電機定子線圈的下方安裝有軸承，由軸承擋圈固定；在內安裝桶的下端與外安裝桶之間安裝有爆炸螺栓。本發明一種空間用多冗余備份stewart平臺支撐桿，由于采取上述的技術方案，支撐桿不僅具有兩組互為備份的驅動電機，而且每組驅動電機又分別具有一組備份；在支撐桿的底部，安裝有爆炸螺栓和滑動軸承。當發生絲杠被卡死的情況時，爆炸螺栓起爆，絲杠可以通過直線電機驅動進行滑動，進而實現絲杠伸縮功能的備份。通過該機構，可以實現stewart平臺每個支撐桿的四個電機互為備份；支撐桿的絲桿具有旋轉和平動兩種運動形式，實現伸縮功能的互為備份。因此，本發明能夠實現空間stewart平臺的多種冗余備份，解決了空間stewart平臺支撐桿單點失效的問題,取得了提高空間stewart平臺可靠性的有益效果。


圖1是stewart平臺的機械原理圖；圖2是本發明stewart平臺的三維圖；圖3是本發明一種空間用多冗余備份stewart平臺支撐桿的結構示意圖；圖4是本發明的爆炸螺栓起爆后，直線電機驅動到任意位置的情況；圖5是內安裝桶的結構圖。
具體實施例方式圖1是stewart平臺的機械原理圖；如圖1所示，在安裝平臺上方由六個支撐桿支撐一個運動平臺，六個支撐桿與安裝平臺和運動平臺組成六自由度并聯機構。圖2是本發明stewart平臺的三維圖；如圖2所示,該平臺包括一個底板2,底板2上均勻分布六個支撐桿，支撐桿3的上端與目標頂板I連接，下端與底板2連接。每個支撐桿3含有聯接目標頂板I的一個球面副和一個移動副，以及聯接底板2的一個球面副。通過對運動副的重組形成了一系列6自由度并聯機構。下面結合

本發明的優選實施例。圖3是本發明一種空間用多冗余備份stewart平臺支撐桿的結構示意圖；如圖3的實施例所示，該裝置包括: 外安裝桶6內安裝有內安裝桶5，內安裝桶5的中心位置安裝有絲杠4在內安裝桶5外側的上部，安裝有直線電機轉子線圈8和備份直線電機轉子線圈17。在外安裝桶6內側的上部，安裝有直線電機定子7和備份直線電機定子16。在內安裝桶5與外安裝桶6之間安裝有直線軸承9，實現移動副的功能。在內安裝桶5外側的下部，依次安裝有主電機定子線圈11和備份電機定子線圈12，它們的內側安裝有電機轉子線圈13，在主電機定子線圈11的上方安裝有軸承18，由軸承擋圈10固定；在備份電機定子線圈12的下方安裝有軸承14，由軸承擋圈19固定；在內安裝桶5的下端與外安裝桶6之間安裝有爆炸螺栓15。圖4是本發明的爆炸螺栓起爆后，直線電機驅動到任意位置的情況。通過圖4可以看出，內安裝桶5通過軸承9，可以在電機的驅動下實現移動副的功能。圖5是內安裝桶的結構圖。內安裝桶5具有直線電機轉子的安裝槽，其他的零件的安裝孔沒有畫出。下面進一步對本發明的工作過程進行描述。在本發明中，支撐桿的移動副是通過電機帶動絲杠4回旋轉動實現的。本發明為驅動絲杠4旋轉的電機增加了主電機定子線圈的備份線圈。當主電機定子線圈11出現故障時，備份主電機定子線圈12啟動，可以實現對絲杠4的旋轉驅動，進而實現了一種冗余備份。當發生絲杠卡死的情況時,爆炸螺栓15起爆,使內安裝桶5與外安裝桶6分離。在內安裝桶5與外安裝桶6之間安裝有直線軸承9，實現移動副的功能。此時，直線電機定子7和直線電機轉子線圈8通電工作，帶動內安裝桶5移動。由于絲杠4卡死，此時絲杠4和內安裝桶5是相對固定的，進而實現了絲桿4的移動副功能，完成了一種冗余備份。當直線電機定子7和直線電機轉子線圈8發生故障不工作時，備份直線電機定子16和備份直線電機轉子線圈17啟動，繼續驅動內安裝桶5的移動，實現驅動的冗余備份。因此上述絲桿4具有旋轉和平動兩種運動形式，實現伸縮功能的互為備份。由上所述，在本發明的裝置中，stewart平臺支撐桿不僅具有兩組互為備份的驅動電機，而且每組驅動電機又分別具有一組備份；在支撐桿的底部，安裝有爆炸螺栓和滑動軸承。當發生絲杠被卡死的情況時，爆炸螺栓起爆，絲杠可以通過直線電機驅動進行滑動，進而實現絲杠伸縮功能的備份。通過該機構，可以實現stewart平臺每個支撐桿的四個電機互為備份；支撐桿的絲桿具有旋轉和平動兩種運動形式，實現伸縮功能的互為備份。因此，本發明解決了空間stewart平臺支撐桿的單點失效問題，提高了平臺的穩定性。
權利要求
1.一種空間用多冗余備份Stewart平臺支撐桿，其特征在于，該裝置包括: 外安裝桶[6]內安裝有內安裝桶[5]，內安裝桶[5]的中心位置安裝有絲杠[4];在內安裝桶[5]外側的上部，安裝有直線電機轉子線圈[8]和備份直線電機轉子線圈[17];在外安裝桶[6]內側的上部，安裝有直線電機定子[7]和備份直線電機定子[16];在內安裝桶[5]與外安裝桶[6]之間安裝有直線軸承[9];在內安裝桶[5]外側的下部，依次安裝有主電機定子線圈[11]和備份電機定子線圈[12]，它們的內側安裝有電機轉子線圈[13]，在主電機定子線圈[11]的上方安裝有軸承[18]，由軸承擋圈[10]固定；在備份電機定子線圈[12]的下方安裝有軸承[14]，由軸承擋圈[19]固定；在內安裝桶[5]的下端與外安裝桶[6]之間安裝有爆炸螺栓[15]。
2.如權利要求1所述的支撐桿，其特征在于:該支撐桿為六個，每個支撐桿含有聯接目標頂板[I]的一個球面副和一個移動副，以及聯接底板[2]的一個球面副。
3.如權利要求1所述的支撐桿，其特征在于:所述的內安裝桶[5]具有直線電機轉子的安裝槽。
4.如權利要求1所述的支撐桿，其特征在于:當所述的絲杠[4]被卡死時，爆炸螺栓[15]起爆，內安裝桶[5]通過直線軸承[9]，在電機的驅動下成為移動副。
全文摘要
本發明涉及空間飛行器平臺，公開了一種空間用多冗余備份stewart平臺支撐桿。包括絲桿[4]、內轉桶[5]和外安裝桶[6]內除了安裝直線電機定子[7]、直線電機轉子線圈[8]、主電機定子線圈[11]，還安裝有備份電機定子線圈[12]、備份直線電機定子[16]、備份直線電機轉子線圈[17]和爆炸螺栓[15]，從而實現空間stewart平臺支撐桿的多種冗余備份。本發明解決了空間stewart平臺支撐桿單點失效的問題，取得提高空間stewart平臺可靠性的有益效果。
文檔編號H02K7/10GK103115047SQ201110366058
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者趙艷濤, 史耀強, 吳晟 申請人:上海航天測控通信研究所