空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合

1.本发明涉及一种空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，属于航天器的结构设计技术领域。


背景技术：

2.细胞星开启了一种新型的卫星研制模式，在某种程度上，这种模式有望改变未来卫星的构架设计布局，有望变革航天器设计、制造、部署和使用方式。利用在轨装配的自重构细胞卫星技术，在面临军事对抗或抗灾救灾时快速响应、在轨服务其他航天器等，同时基于细胞星的结构和接口的标准化设计和可重构特性，依靠自身推力装置，可以灵活的完成各种大型航天器的拼接和搭建以实现各种复杂的功能。
3.具体工作过程可概述为；细胞星在空间中通过控制组件和视觉捕获装置感知自身姿态，并利用控制计算机进行任务分析从而生成任务所需空间拓扑结构和最优接口拼接决策，依靠相应方向的推力装置进行相互拼接，进而完成任务所需航天器的自重构搭建，同时依靠内运动可以实现航天器的形态变化。
4.针对各种复杂且较高自由度的空间拓扑结构的搭建，细胞星需要多种不同的工作姿态。如在搭建细胞星库时，需要装有对应接口的太阳能帆板与相应细胞星对接，每一块太阳能帆板要求能够根据太阳光线灵活地调节俯仰角度，以此达到最佳发电效率，因而细胞星需要不断调整自身姿态以适应太阳能帆板的转动，这便需要细胞星的面板具有周转能力。同时针对其他复杂的空间拓扑结构某些部位，也可能需要细胞星以立式或倾斜姿态存在，这便也要求细胞星具有一个精度较高的角度可调周转面板。
5.另一方面，通过计算机控制，细胞星依靠自身推力装置在互相对接的过程中，由于空间环境的复杂性或设备偶然因素，难以保证对接过程迅速高效。为实现细胞星的高效且快速对接，可设计一种接口位置可自适应调整的机构，在两细胞星接口即将对接时，结合计算机模拟控制的最优接口拼接决策，细胞星面板上固结的接口装置不断转动调整位置以实现高效对接。因而，设计一种高精度的角度可调周转机构可实现细胞星之间任意方向高效迅速对接。
6.综上所述，空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合设计对于细胞星的高效快速对接、对于高自由度空间拓扑结构的搭建具有重要意义。


技术实现要素：

7.本发明提供了新型的由直流步进电机驱动，采用蜗杆蜗轮传动形式，可以控制周转顶板转动并且断电自锁的角度可调周转顶板机构，介绍了被动式对接接口和主动式对接接口、锁紧装置a和锁紧装置b的工作方式，该发明具有细胞卫星对接高效、拼接航天器自由度高、拼接航天器的拓扑关系灵活、细胞卫星对接锁止可靠等优点。
8.1.空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：所述空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合包括箱体、主动端接口、锁紧装置a、锁紧装置b、被动端接口、角度可调
周转顶板组件、驱动组件、支撑组件、蓄电池、控制组件、螺钉。角度可调周转顶板组件包括箱体顶板、周转顶板、推力滚针轴承1、推力滚针轴承2、齿轮1、转轴、转轴轴承1；支撑组件包括支撑座、横梁、横梁上支架和电机支撑架；驱动组件包含42步进电机、轴承盖a、蜗杆轴承1、蜗杆、齿轮轴上轴承、齿轮轴、蜗轮、转轴轴承2、蜗杆轴承2、轴承盖b、轴承座b、轴承座a、平键、套筒和齿轮轴下轴承；控制组件包括中心控制器、电机驱动板、空心电位器。所述箱体由五块镂空面板通过螺钉连接；所述角度可调周转顶板组件与箱体面板通过螺钉连接；所述支撑组件与箱体通过螺钉连接；所述驱动组件与支撑组件通过螺钉连接；所述锁紧装置a、主动端接口与周转顶板通过螺钉连接；所述周转顶板与齿轮1通过螺钉连接；所述支撑座、横梁上支架和电机支撑架与横梁通过螺钉连接；所述42步进电机与电机支撑架通过螺钉连接；所述支撑座、横梁上支架和电机支撑架与箱体顶板均通过螺钉连接；所述蜗杆通过d形孔与42步进电机电机轴配合；所述蜗轮通过平键、套筒与齿轮轴进行轴向和周向定位；所述齿轮轴通过安装于横梁上的齿轮轴下轴承和安装于箱体顶板上的齿轮轴上轴承进行支撑；所述驱动组件与箱体通过螺钉连接；所述蓄电池以胶粘的方式固定于控制组件的一侧；所述控制组件与箱体通过螺钉连接；所述电机驱动板、中心控制器与箱体通过螺钉连接；
9.2.本发明所述滚针轴承装配于齿轮1和箱体顶板之间，阻隔了齿轮1与箱体顶板的直接接触，进一步保证齿轮1的回转精度。
10.3.本发明所述周转顶板与齿轮1通过螺钉同心固结，齿轮1的转动会带动周转顶板进行同步转动；
11.4.本发明所述齿轮1与箱体顶板上的圆孔间隙配合，降低了齿轮1在旋转过程中的磨损；
12.5.本发明所述箱体的5个面上均分布有锁紧装置与被动端接口或主动端接口，同一面上只设置有主动端接口或被动端接口，并且只设置有锁紧装置a或锁紧装置b。锁紧装置a与锁紧装置b在结构上镜像对称；
13.6.本发明所述周转顶板上主动端接口和被动端接口的对接具有严格的方向性，仅能进行轴向对接与解锁，对接完成后不限制轴向相对转动；主动端接口与被动端接口中部贯通，可为电气接口及其他连接部件提供安装空间；
14.7.本发明所述锁紧装置a和锁紧装置b的对接需要在主动端接口和被动端接口对接完成之后，两箱体相对旋转才能对接，并且锁紧装置a只能和锁紧装置b对接；单个锁紧装置a和锁紧装置b对接完成后能够限制轴向移动和周向转动；
15.8.本发明所述的周转顶板上连接的接口种类可以根据具体的工作要求进行改变，进而可以实现该细胞星的对接方式主动性与被动性之间的转换；
16.9.本发明基于蜗轮蜗杆传动的高传动比特性，周转顶版的旋转调节精度可达到0.012
°
；
17.10.本发明所述电机驱动板控制42步进电机的转速输出，并通过空心电位器与中心控制器形成的闭环控制系统进行侧板转动角度的角度反馈。42步进电机型号为42bygh60，电机驱动板型号为tb6600，空心电位器型号为r24hs，中心控制器型号为arduino nuo r3，蓄电池为24v锂电池组。
附图说明
18.图1空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合外形图
19.图2空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合内部示意图
20.图3角度可调周转顶板组件剖视图
21.图4支撑组件结构示意图
22.图5驱动组件结构示意图
23.图6齿轮轴装配图
24.图7蜗轮安装示意图
25.图8齿轮1示意图
26.图9推力滚针轴承示意图
27.图10角度可调侧板与周转顶板对接图
具体实施方式
28.空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，包括箱体(1)、主动端接口(2)、锁紧装置a(3)、锁紧装置b(4)、被动端接口(5)、角度可调周转顶板组件(6)、驱动组件(7)、支撑组件(8)、蓄电池(9)、控制组件(10)、螺钉。角度可调周转顶板组件包括箱体顶板(6-1)、周转顶板(6-2)、推力滚针轴承1(6-3)、推力滚针轴承2(6-4)、齿轮1(6-5)、转轴(6-6)、转轴轴承1(6-7)；支撑组件包括支撑座(8-1)、横梁(8-2)、横梁上支架(8-3)和电机支撑架(8-4)；驱动组件包含42步进电机(7-1)、轴承盖a(7-2)、蜗杆轴承1(7-3)、蜗杆(7-4)、齿轮轴上轴承(7-5)、齿轮轴(7-6)、蜗轮(7-7)、转轴轴承2(7-8)、蜗杆轴承2(7-9)、轴承盖b(7-10)、轴承座b(7-11)、轴承座a(7-12)、平键(7-13)、套筒(7-14)和齿轮轴下轴承(7-15)；控制组件包括电机驱动板(10-1)、中心控制器(10-2)、空心电位器(10-3)。所述箱体由五块镂空面板通过螺钉连接；所述角度可调周转顶板组件(6)与箱体面板(1)通过螺钉连接；所述支撑组件(8)与箱体(1)通过螺钉连接；所述驱动组件(7)与支撑组件(8)通过螺钉连接；所述锁紧装置a(3)、主动端接口(2)与周转顶板(6-2)通过螺钉连接；所述周转顶板(6-2)与齿轮1(6-5)通过螺钉连接；所述支撑座(8-1)、横梁上支架(8-3)和电机支撑架(8-4)与横梁通过螺钉连接；所述42步进电机(7-1)与电机支撑架(8-4)通过螺钉连接；所述支撑座(8-1)、横梁上支架(8-3)和电机支撑架(8-4)与箱体顶板(6-1)均通过螺钉连接；所述蜗杆(7-4)通过d形孔与42步进电机(7-1)电机轴配合；所述蜗轮(7-7)通过平键(7-13)、套筒(7-14)与齿轮轴(7-6)进行轴向和周向定位；所述齿轮轴(7-6)通过安装于横梁(8-2)上的齿轮轴下轴承(7-15)和安装于箱体顶板(6-1)上的齿轮轴下轴承(7-5)进行支撑；所述驱动组件(7)与箱体(1)通过螺钉连接；所述蓄电池(9)以胶粘的方式固定于控制组件(10)的一侧；所述控制组件(10)与箱体(1)通过螺钉连接；所述电机驱动板(10-1)、中心控制器(10-2)与箱体(1)通过螺钉连接；
29.本实施方案中42步进电机的作用是提供稳定的动力输出，驱动蜗杆的转动；电机支撑架的作用是保证步进电机主体位置的固定；支撑座的作用是连接箱体底板并支撑周转顶板机构；横梁的作用为转轴、齿轮轴、横梁上支架、电机支撑架、轴承座的安装提供定位，同时依靠横梁上的轴承孔完成与转轴轴承、齿轮轴轴承的配合装配；平键的作用是为蜗轮提供轴向定位；滚针轴承的作用阻隔了齿轮1与箱体顶板的直接接触，保证齿轮1的回转精
度；沿周转顶板圆周60
°
径向均匀分布的十字槽盘头螺钉的作用是连接齿轮1与周转顶板；主动端接口与被动端接口的对接完成两细胞星的轴向锁止，未限制两细胞星的相对旋转；锁紧装置a与锁紧装置b的对接约束了两细胞星的相对转动，实现了两细胞星的完全锁止；
30.其工作过程如下：根据具体的对接或工作要求，由控制组件输出信号控制42步进电机输出动力以驱动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮旋转，由与蜗轮同轴装配的齿轮2带动齿轮1旋转，进而带动与齿轮1固结的周转顶板的旋转以达到周转顶板所需的旋转幅度。
31.本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明所设计的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，依靠标准独立且精确的角度调节设计，增加了拼接航天器的自由度数，进一步丰富了细胞星的空间构型。本发明采用蜗轮蜗杆传动机构作为运动的输入机构，利用蜗轮蜗杆的自锁特性可以在断电情况下保持角度可调周转顶板停留在给定角度，提高了航天器运动的安全性。发明所用的细胞星箱体各面板、支撑座、横梁、横梁上支架和电机支撑架均采用镂空设计，很大程度上减轻了细胞星的整体质量。为了保证相邻细胞星之间的电、液传输，主动端接口与被动端接口中部贯通，为电气接口及其他连接部件提供安装空间。固结于周转顶板上的主动端接口和锁紧装置b可以与另一细胞星任意面板上的被动端接口和锁紧装置b对接，不仅保证了细胞星之间的可靠连接，同时对接形成万向接头也实现细胞星之间变角度的动力传递，增加了拼接航天器的自由度数，丰富了拼接航天器的空间拓扑结构。

技术特征：
1.空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合其特征在于：空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合包括箱体、主动端接口、锁紧装置a、锁紧装置b、被动端接口、角度可调周转顶板组件、驱动组件、支撑组件、蓄电池、控制组件、螺钉。角度可调周转顶板组件包括箱体顶板、周转顶板、推力滚针轴承1、推力滚针轴承2、齿轮1、转轴、转轴轴承1；支撑组件包括支撑座、横梁、横梁上支架和电机支撑架；驱动组件包含42步进电机、轴承盖a、蜗杆轴承1、蜗杆、齿轮轴上轴承、齿轮轴、蜗轮、转轴轴承2、蜗杆轴承2、轴承盖b、轴承座b、轴承座a、平键、套筒和齿轮轴下轴承；控制组件包括中心控制器、电机驱动板、空心电位器。所述箱体由五块镂空面板通过螺钉连接；所述角度可调周转顶板组件与箱体面板通过螺钉连接；所述支撑组件与箱体通过螺钉连接；所述驱动组件与支撑组件通过螺钉连接；所述锁紧装置a、主动端接口与周转顶板通过螺钉连接；所述周转顶板与齿轮1通过螺钉连接；所述支撑座、横梁上支架和电机支撑架与横梁通过螺钉连接；所述42步进电机与电机支撑架通过螺钉连接；所述支撑座、横梁上支架和电机支撑架与箱体顶板均通过螺钉连接；所述蜗杆通过d形孔与42步进电机电机轴配合；所述蜗轮通过平键、套筒与齿轮轴进行轴向和周向定位；所述齿轮轴通过安装于横梁上的齿轮轴下轴承和安装于箱体顶板上的齿轮轴上轴承进行支撑；所述驱动组件与箱体通过螺钉连接；所述蓄电池以胶粘的方式固定于控制组件的一侧；所述控制组件与箱体通过螺钉连接；所述电机驱动板、中心控制器与箱体通过螺钉连接。2.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：所述滚针轴承装配于齿轮1和箱体顶板之间，阻隔了齿轮1与箱体顶板的直接接触，进一步保证齿轮1的回转精度。3.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：所述周转顶板与齿轮1通过螺钉同心固结，齿轮1的转动会带动周转顶板进行同步转动。4.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：齿轮1与箱体顶板上的圆孔间隙配合，降低了齿轮1在旋转过程中的磨损。5.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：所述箱体的5个面上均分布有锁紧装置与被动端接口或主动端接口，同一面上只设置有主动端接口或被动端接口，并且只设置有锁紧装置a或锁紧装置b。锁紧装置a与锁紧装置b在结构上镜像对称。6.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：所述周转顶板上主动端接口和被动端接口的对接具有严格的方向性，仅能进行轴向对接与解锁，对接完成后不限制轴向相对转动；主动端接口与被动端接口中部贯通，可为电气接口及其他连接部件提供安装空间。7.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：所述锁紧装置a和锁紧装置b的对接需要在主动端接口和被动端接口对接完成之后，两箱体相对旋转才能对接，并且锁紧装置a只能和锁紧装置b对接；单个锁紧装置a和锁紧装置b对接完成后能够限制轴向移动和周向转动。8.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：根据具体的工作要求，可以改变周转顶板上连接的接口种类，进而可以实现该细胞星的对接方式主动性与被动性之间的转换。9.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：本设计
基于蜗轮蜗杆传动的高传动比特性，周转顶板的旋转调节精度可达到0.012
°
。10.根据权利要求1所述的空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合，其特征在于：所述电机驱动板控制42步进电机的转速输出，并通过空心电位器与中心控制器形成的闭环控制系统进行侧板转动角度的角度反馈。42步进电机型号为42bygh60，电机驱动板型号为tb6600，空心电位器型号为r24hs，中心控制器型号为arduino nuo r3，蓄电池为24v锂电池组。

技术总结
空间顶板旋转型自重构细胞星及其组合包括箱体、主动端接口、锁紧装置A、锁紧装置B、被动端接口、角度可调周转顶板组件、驱动组件、支撑组件、蓄电池、控制组件、螺钉。角度可调周转顶板组件包括箱体顶板、周转顶板、推力滚针轴承1、推力滚针轴承2、齿轮1、转轴、转轴轴承1；支撑组件包括支撑座、横梁、横梁上支架和电机支撑架；驱动组件包含42步进电机、轴承盖A、蜗杆轴承1、蜗杆、齿轮轴上轴承、齿轮轴、蜗轮、转轴轴承2、蜗杆轴承2、轴承盖B、轴承座B、轴承座A、平键、套筒和齿轮轴下轴承；控制组件包括中心控制器、电机驱动板、空心电位器。依靠蜗轮蜗杆的高传动比及自锁特性，结合编码器组成闭环控制，实现对周转顶板转动角度的高精度调节，从而使细胞卫星的对接高效可靠、拼接航天器的自由度高、拼接航天器的拓扑关系灵活。拼接航天器的拓扑关系灵活。拼接航天器的拓扑关系灵活。


技术研发人员：李伟杰 李新洪 薛文林 夏斌 游斌弟 白江波
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部 哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：2022.11.29
技术公布日：2023/5/9