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空间光学遥感器高精度6-DOF并联平台设计与实现

梁凤超 谭爽 黄刚 范建凯 林喆 康晓军

梁凤超, 谭爽, 黄刚, 等 . 空间光学遥感器高精度6-DOF并联平台设计与实现[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(7): 1332-1342. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0224
引用本文: 梁凤超, 谭爽, 黄刚, 等 . 空间光学遥感器高精度6-DOF并联平台设计与实现[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(7): 1332-1342. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0224
LIANG Fengchao, TAN Shuang, HUANG Gang, et al. Design and implementation of a high precision 6-DOF parallel platform for a space optical remote sensor[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(7): 1332-1342. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0224(in Chinese)
Citation: LIANG Fengchao, TAN Shuang, HUANG Gang, et al. Design and implementation of a high precision 6-DOF parallel platform for a space optical remote sensor[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(7): 1332-1342. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0224(in Chinese)

空间光学遥感器高精度6-DOF并联平台设计与实现

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0224
基金项目: 

装备发展部中俄联合研制项目 03CN19018/2021GWKJ-5Y-LZYD

详细信息
    通讯作者:

    梁凤超, E-mail: fc.liang@qq.com

  • 中图分类号: TP242

Design and implementation of a high precision 6-DOF parallel platform for a space optical remote sensor

Funds: 

China Russia Joint Development Project of Equipment Development Department 03CN19018/2021GWKJ-5Y-LZYD

More Information
  • 摘要:

    高精度六自由度并联平台可精密调整次镜位姿,实现空间光学遥感器地面光学装调及光学像差在轨主动校正。为解决研制高精度并联平台的多指标多约束结构优化设计及高分辨力驱动支链设计2个难点,建立了六自由度并联机构逆解数学模型及ADAMS参数化模型,确定了结构优化目标函数,结合支链长度、铰链转角等约束进行了结构优化设计,得到并联机构结构参数及驱动支链分辨力需达到60 nm的需求。基于此需求,设计了基于“无刷直流电机+滚珠丝杠+光栅尺”的驱动支链,采用PI控制律实现高精度消静差闭环伺服控制,使驱动支链分辨力达50 nm。对并联平台精度进行光学测试,结果表明,平台带载平移分辨力为0.2 μm,转角分辨力为1″,满足指标要求。该平台已成功应用于空间相机的地面光学装调及像差主动校正实验,为在轨应用奠定了理论与实践基础。

     

  • 图 1  空间光学遥感器在轨像差主动校正原理

    Figure 1.  Active correction principle of on orbit aberrations for space optical remote sensors

    图 2  Stewart并联机构坐标系

    Figure 2.  Coordinate systems of Stewart parallel mechanism

    图 3  动平台铰点所在圆平面

    Figure 3.  Circular plane of hinge point for moving platform

    图 4  静平台铰链铰点所在圆平面

    Figure 4.  Circular plane of hinge points for static platform

    图 5  参数化建模参数

    Figure 5.  Parametric modeling parameters

    图 6  并联机构参数化模型

    Figure 6.  Parametric model of parallel mechanism

    图 7  并联机构结构优化流程

    Figure 7.  Structure optimization flow chart of parallel mechanism

    图 8  驱动支链

    Figure 8.  Driving strut

    图 9  驱动支链位移分辨力

    Figure 9.  Displacement resolution of drive strut

    图 10  六自由度并联平台控制器原理

    Figure 10.  Principle of 6-DOF parallel platform controller

    图 11  六自由度并联平台

    Figure 11.  6-DOF parallel platform

    图 12  六自由度并联平台分辨力测试系统

    Figure 12.  Resolution test system of 6-DOF parallel platform

    图 13  X轴自由度平移分辨力测试曲线

    Figure 13.  X-DOF translation resolution test curve

    图 14  Y轴自由度平移分辨力测试曲线

    Figure 14.  Y-DOF translation resolution test curve

    图 15  Z轴自由度平移分辨力测试曲线

    Figure 15.  Z-DOF translation resolution test curve

    图 16  RX自由度分辨力测试曲线

    Figure 16.  RX-DOF resolution test curve

    图 17  RY自由度分辨力测试曲线

    Figure 17.  RY-DOF resolution test curve

    图 18  RZ自由度分辨力测试曲线

    Figure 18.  RZ-DOF resolution test curve

    表  1  六自由度次镜平台主要指标

    Table  1.   Main indexes of 6-DOF secondary mirror platform

    指标 数值
    X, Y, Z轴平移调整分辨力/μm 0.2
    X, Y, Z轴运动范围/mm ±2
    XY, Z轴转角分辨力/(″) 1
    X, Y, Z轴转动范围/(°) ±1
    承载能力/kg 25
    外形包络/(mm×mm) Φ548×280
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    表  2  优化后的六自由度并联机构结构参数

    Table  2.   Optimized structural parameters of 6-DOF parallel mechanism

    结构参数 优化结果
    r/mm 239.51
    R/mm 249
    H/mm 195.03
    α/rad 0.115
    β/rad 0.134
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    表  3  平台位姿分辨力对应的驱动支链量化步数

    Table  3.   Driving struts quantization steps corresponding to platform pose resolution

    自由度 量化
    驱动支链1 驱动支链2 驱动支链3 驱动支链4 驱动支链5 驱动支链6
    X轴平移 -1 2 -1 -1 2 -1
    Y轴平移 1 0 -1 1 0 -1
    Z轴平移 1 1 1 1 1 1
    X轴转动 1 1 0 0 -1 -1
    Y轴转动 -1 0 1 1 0 -1
    Z轴转动 1 -1 1 -1 1 -1
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    表  4  驱动支链量化步数对应的平台位姿分辨力

    Table  4.   Platform pose resolution corresponding to driving struts quantitation steps

    自由度 分辨力
    X/μm Y/μm Z/μm RX/(″) RY/(″) RZ/(″)
    X轴平移 0.14 0 0 0 -0.007 0
    Y轴平移 0 0.08 0 0.004 0 0
    Z轴平移 0 0 0.07 0 0 0
    X轴转动 0 -0.01 0 0.109 0 0
    Y轴转动 -0.017 5 0 0 0 0.114 0
    Z轴转动 0 0 0 0 0 0.066
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    表  5  平台分辨力指标与实测值对比

    Table  5.   Comparison between platform resolution index and measured value

    自由度 指标 实测值
    X轴平移/μm 0.2 0.2
    Y轴平移/μm 0.2 0.2
    Z轴平移/μm 0.2 0.2
    X轴旋转/(″) 1 1
    Y轴旋转/(″) 1 1
    Z轴旋转/(″) 1 1
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-06
  • 录用日期:  2022-06-13
  • 刊出日期:  2021-07-19

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