一种地面试验的模块化空间望远镜与双臂协同装配方法

本发明属于航天器在轨服务，尤其涉及一种地面试验的模块化空间望远镜与装配方法。

背景技术：

1、随着社会的认知水平不断提高以及科学技术的飞速发展，人类对于太空环境的探索与太空资源利用的需求日益加深，在轨服务已经世界各国太空竞赛的重要领域。而太空望远镜作为人类探索宇宙和各种天体起源和演化的关键设备，各国家投入了大量的时间和经历去研究。现在国际上，常见的太空望远镜有单片镜、折叠展开镜以及模块组装镜三大类。单片镜最典型的就是哈勃望远镜，它的单片镜面口径达到了2.4m，这就意味着制造难度将更大，同时要求更大尺寸的整流罩去携带该镜片。折叠展开镜是将整个镜面在地面事先装配好，然后通过设计的折叠机构将镜体折叠起来，这样允许在小空间里放更大的望远镜。最后在轨道在轨展开，2021年nasa发射的jwst就是折叠展开结构，这种结构的天文望远镜在轨展开面临的挑战巨大，在调试的过程当中，nasa更是估计整个jwst至少还有344个在完全展开前可能发生的故障问题点，这期间的任何故障都可能导致前功尽弃。因此，上述两种太空望远镜都存在着无法满足大口径的要求，模块化的组合镜的出现很好的解决了大口径问题。

技术实现思路

1、(一)发明的目的

2、本发明解决的技术问题是：克服现有运载火箭受限于体积和载荷无法一次性将大型航天器送上预定轨道技术的不足，提供了一种地面试验的模块化空间望远镜与装配方法，为将来在轨装配提供技术参考。

3、(二)本发明的技术方案

4、本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种地面试验的模块化空间望远镜：包括主镜结构、二次镜结构、三次镜结构，二次镜通过连接杆与主镜进行连接，三次镜通过轴孔结构和主镜连接。各零部件结构将以此展开叙述。

5、主镜结构由镜架、望远镜地面支撑结构及分镜组成。镜架是三层多边形结构，依次通过桁条连接，最内层多边形结构所在平面与铅垂面呈5°的夹角，第二层多边形结构所在平面与最内层多边形所在平面呈5°夹角，最外层多边形结构所在平面是铅垂面。镜架上的锥形定位销与分镜配合完成预定位，旋拧分镜上的螺栓完成与镜架紧固定位。

6、望远镜地面支撑结构是用三个支撑直套筒组成″h″形结构，通过锁紧套筒与底座相连组成了望远镜支撑结构。支撑结构下方带有可移动的导轨，可以保证所有装配位置都在机械臂的工作空间内。

7、分镜结构是中心反射区域薄，边缘厚的中心对称结构，六个圆弧角上带有矩形定位孔，用于与镜架进行预定位。分镜上的矩形凹槽用于方便机械手爪抓取和放置二维码。

8、二次镜是凸面结构，三次镜是椭圆镜结构。远处的光线首先击中主镜，反弹到凸面次镜，然后向下，靠近偏离轴反射给主镜后面的第三个次椭圆镜。第三个椭圆镜可以和其他分镜一起校正像散并扩大视野。即二次镜结构用于接收来自主镜聚集的大部分光源，并将其反射到三次镜上；三次镜用于接收来自二次镜的光；

9、连接杆两侧的锥形定位销通过与主镜、二次镜上的侧槽口结构配合完成预定位，然后通过锁止套筒完成紧连接。三次镜通过带内螺纹的圆柱孔与镜架带外螺纹的圆柱进行紧固连接。

10、同时，本发明还提出一种地面试验的模块化空间望远镜双臂协同装配方法，主要包括以下步骤：

11、步骤1：视觉相机被安装在机械臂第六节臂杆上，为了确定视觉相机坐标系和机械臂末端坐标系的变换矩阵，首先需要对视觉相机进行标定。在空间中放置以机械臂基坐标系为参考系，已知变换矩阵的标定板。任意移动两次机械臂，示教器可以得到两次移动的机械臂末端坐标系和机械臂基坐标系的变换矩阵。相机通过拍摄标定板，得到两次移动的标定板坐标系和相机坐标系的变换矩阵。通过手眼标定方程ax＝xb，计算出手眼标定矩阵x来完成标定。待装配的零部件被安放在试验台上的已知位置；

12、步骤2：机器人左臂由ur10e机械臂和末端执行手抓构成。机器人左臂从工作台上抓持分镜的凹槽部位，移动机器人左臂至分镜的装配位置。分镜通过矩形定位孔与镜架上的定位销配合完成分镜在镜架上的预定位。机器人左臂抓持试验台上的末端带套筒的螺丝刀，通过末端关节自旋的方式将分镜通过螺栓紧固在镜架上；

13、步骤3：机器人右臂由ur10e机械臂和末端执行手抓构成。机器人右臂从工作台上抓持二次镜的抓取部位，并移动到装配位置，机器人右臂在装配位置保持静止；

14、步骤4：机器人左臂从工作台上抓持连接杆的中间抓取部位，移动机器人左臂至连接杆的装配位置。连接杆通过两侧的锥形定位销与二次镜、镜架上的上侧槽口完成第一次的粗定位；

15、步骤5：机器人右臂保持静止，机器人左臂抓持连接杆一侧的锁紧套筒并旋拧60°后向后退出一段距离以回到旋拧前的位姿，继续重复两次上述的旋拧操作，完成连接杆一侧的锁紧套筒的旋拧，连接杆另一侧的锁紧套筒同上述操作；

16、步骤6：机器人右臂继续保持静止，机器人左臂从工作台上抓持第二条连接杆的中间抓取部位，移动机器人左臂至连接杆的装配位置。重复步骤5的旋拧连接杆两侧的锁紧套筒的旋拧操作；

17、步骤7：移动机器人右臂至远离二次镜的位置，机器人左臂通过滑轨水平推动望远镜远离机器人直至机器人不被连接杆包裹。重复步骤4和步骤5，至此完成整个地面装配试验；

18、本发明有益效果在于：

19、本发明提供一种地面试验的模块化空间望远镜与装配方法，通过双臂协同地面试验系统实现模块化望远镜装配，解决了运载火箭无法一次性将大口径望远镜送入预定轨道的问题。使大型、超大型空间望远镜的建设成为可能，也为今后空间机器人在轨组装空间望远镜提供了技术参考。

技术特征：

1.一种地面试验的模块化空间望远镜，其特征在于：包括主镜结构、二次镜结构、三次镜结构，二次镜通过连接杆与主镜进行连接，三次镜通过轴孔结构和主镜连接；主镜结构由镜架、望远镜地面支撑结构及分镜组成。

2.根据权利要求1所述的一种地面试验的模块化空间望远镜，其特征在于：镜架是三层多边形结构，依次通过桁条连接，最内层多边形结构所在平面与铅垂面呈5°的夹角，第二层多边形结构所在平面与最内层多边形所在平面呈5°夹角，最外层多边形结构所在平面是铅垂面；镜架上的锥形定位销与分镜配合完成预定位，旋拧分镜上的螺栓完成与镜架紧固定位。

3.根据权利要求1所述的一种地面试验的模块化空间望远镜，其特征在于：望远镜地面支撑结构是用三个支撑直套筒组成″h″形结构，通过锁紧套筒与底座相连组成了望远镜支撑结构；支撑结构下方带有可移动的导轨，保证所有装配位置都在机械臂的工作空间内。

4.根据权利要求2所述的一种地面试验的模块化空间望远镜，其特征在于：分镜结构是中心反射区域薄，边缘厚的中心对称结构，六个圆弧角上带有矩形定位孔，用于与镜架进行预定位；分镜上的矩形凹槽用于方便机械手爪抓取和放置二维码。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种地面试验的模块化空间望远镜，其特征在于：二次镜是凸面结构，三次镜是椭圆镜结构；二次镜用于接收来自主镜聚集的大部分光源，并将其反射到三次镜上；三次镜用于接收来自二次镜的光。

6.根据权利要求5所述的一种地面试验的模块化空间望远镜，其特征在于：连接杆两侧的锥形定位销通过与主镜、二次镜上的侧槽口结构配合完成预定位，然后通过锁止套筒完成紧连接；三次镜通过带内螺纹的圆柱孔与镜架带外螺纹的圆柱进行紧固连接。

7.一种地面试验的模块化空间望远镜双臂协同装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种地面试验的模块化空间望远镜双臂协同装配方法，其特征在于：在步骤1中，视觉相机被安装在机械臂第六节臂杆上，为了确定视觉相机坐标系和机械臂末端坐标系的变换矩阵，首先需要对视觉相机进行标定；在空间中放置以机械臂基坐标系为参考系，已知变换矩阵的标定板；任意移动两次机械臂，示教器得到两次移动的机械臂末端坐标系和机械臂基坐标系的变换矩阵；相机通过拍摄标定板，得到两次移动的标定板坐标系和相机坐标系的变换矩阵；通过手眼标定方程ax＝xb，计算出手眼标定矩阵x来完成标定。

9.根据权利要求7所述的一种地面试验的模块化空间望远镜双臂协同装配方法，其特征在于：在步骤2中，机器人左臂由ur10e机械臂和末端执行手抓构成；机器人左臂从工作台上抓持分镜的凹槽部位，移动机器人左臂至分镜的装配位置；分镜通过矩形定位孔与镜架上的定位销配合完成分镜在镜架上的预定位；机器人左臂抓持试验台上的末端带套筒的螺丝刀，通过末端关节自旋的方式将分镜通过螺栓紧固在镜架上。

10.根据权利要求7所述的一种地面试验的模块化空间望远镜双臂协同装配方法，其特征在于：在步骤3中，机器人右臂由ur10e机械臂和末端执行手抓构成；机器人右臂从工作台上抓持二次镜的抓取部位，并移动到装配位置，机器人右臂在装配位置保持静止。

技术总结
一种地面试验的模块化空间望远镜与双臂协同装配方法，属于航天器在轨服务技术领域，本发明为了解决受限于运载火箭的体积和载荷无法一次性将大口径的太空望远镜送上预定轨道，而提出的一种模块化装配的地面试验系统与装配方法。本发明所述的模块化空间望远镜由主镜、二次镜、三次镜构成。主镜由18块分镜构成，整体呈现凹形，以此在有限的外形尺寸下拓展出更大镜片面积，二次镜通过连接杆与主镜相连，接收来自主镜聚集的光源并将其反射到三次镜上。通过双臂的趋近、抓捕、旋拧、插拔、装配、拆卸、工具切换的六个动作完成地面模块化装配试验。本发明可以为我国将来进行空间结构在轨装配提供技术支持，使得超大型航天结构空间组装成为可能。

技术研发人员：钟睿,陈子龙,贾英宏,张军,王楷
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15