JPH07187100A - 宇宙機ダイナミクス模擬装置 - Google Patents

宇宙機ダイナミクス模擬装置

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JPH07187100A
JPH07187100A JP33797493A JP33797493A JPH07187100A JP H07187100 A JPH07187100 A JP H07187100A JP 33797493 A JP33797493 A JP 33797493A JP 33797493 A JP33797493 A JP 33797493A JP H07187100 A JPH07187100 A JP H07187100A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 軌道上で宇宙機が示すダイナミクスを地上で
再現するために、宇宙機に加わった外力を検出し、それ
に対応した宇宙機の位置・姿勢を実現させる。 【構成】 アッパープレートとベースプレートを6つの
2リンクアームによって結合し、ベースプレートと2リ
ンクアームとの各結合部分にそれぞれ回転型アクチュエ
ータを装着し、各回転型アクチュエータを駆動すること
でアッパープレートの位置・姿勢を自由に変化させるこ
とが可能な宇宙機支持機構を構成する。この宇宙機支持
機構のアッパープレート上には宇宙機ダイナミクスモデ
ルに加わる6自由度の力を検出するための力検出器が搭
載され、その力検出器上に宇宙機ダイナミクスモデルを
装着する。さらに宇宙機ダイナミクスモデル内には、宇
宙機姿勢制御アクチュエータ部や、宇宙機姿勢検出器が
搭載されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、宇宙機の軌道上ダイナ
ミクスを地上で模擬するための装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、宇宙機の軌道上ダイナミクスを地
上で模擬する手段として、一軸空気軸受テーブルが用い
られてきた。第1図は一軸空気軸受テーブルを使用した
従来の宇宙機ダイナミクス模擬装置の一例を示す図であ
る。1は一軸空気軸受テーブル、2は搭載機器、3は支
持台、4は高圧空気供給用パイプ、5はテーブル角度検
出器、6はDCブラシレスモータステータ、7はDCブ
ラシレスモータロータ、8は床、9は宇宙機ダイナミク
スシミュレータ、10はDCブラシレスモータ駆動回路
である。一軸空気軸受テーブル1を利用した宇宙機ダイ
ナミクス模擬装置では、補償する一軸以外のダイナミク
スを、すべて計算機上の数学モデルを用いた宇宙機ダイ
ナミクスシミュレータ9上で実現している。さらに一軸
空気軸受テーブル1上で補償する軸に対しては、他の部
分のダイナミクス(たとえば柔軟構造物の振動)が影響
を与えるトルクを求め、空気軸受テーブル1に装着され
たDCブラシレスモータ7によってそのトルクを空気軸
受テーブル1に加えることで、宇宙機の一軸ダイナミク
ス模擬試験装置を実現していた(たとえば特開昭58−
166408号公報)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来の宇宙
機ダイナミクス模擬装置では、空気軸受テーブル上で補
償する宇宙機モデルの自由度が一軸のみに限定されてい
るため、対象とする宇宙機の構造が非対称でかつ各軸ご
とにその運動が分離できない場合には、宇宙機の動作を
正確に再現することは困難である。そのため従来の模擬
装置では、計算機上の数学モデルと組み合わせることで
得られる近似解によってその運動を模擬していた。さら
に試験に際しては、模擬装置上で補償する一軸の宇宙機
ダイナミクス以外はすべて計算機上の数学モデルを用い
て計算しなければならないため、構造が複雑である宇宙
機の試験には多くの時間を必要とし、模擬試験実施の効
率を低下させていた。
【0004】本発明の目的は、前記従来の問題を解決す
るため、6自由度を持つ宇宙機モデル支持機構と6軸力
検出器を利用し、宇宙機の軌道上ダイナミクスを6自由
度すべてに対して正確にしかも実時間で模擬試験を実施
することを可能とする宇宙機ダイナミクス模擬装置を提
供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の宇宙機ダイナミ
クス模擬装置は、二つのリンクがユニバーサルジョイン
トで接続され一端にはボールジョイント他端には回転型
アクチュエータが装着してある2リンクアーム(1)、
2リンクアーム(2)、2リンクアーム(3)、2リン
クアーム(4)、2リンクアーム(5)、2リンクアー
ム(6)と、各2リンクアームの一端に装着した回転型
アクチュエータを固定するベースプレートと、他端に装
着したボールジョイントを介して各2リンクアームと接
続するアッパープレートとからなり、各回転型アクチュ
エータの回転角を調整することで、アッパープレートの
3次元的位置ならびに姿勢を自由に変更することを可能
とする宇宙機支持機構と、本体内部に自身の姿勢を変化
させるアクチュエータと自身の姿勢変動を検出する姿勢
検出器を装備した宇宙機ダイナミクスモデルと、アッパ
ープレートと宇宙機ダイナミクスモデルを接続し、かつ
宇宙機ダイナミクスモデルに加わる外力や宇宙機ダイナ
ミクスモデル自身が発生する力を検出する力検出器と、
力検出器によって検出された力をもとに宇宙機ダイナミ
クスモデルがとるべき姿勢を算出し、各回転アクチュエ
ータに対する指令信号を生成する宇宙機支持機構制御器
を具備したことを特徴とする。
【0006】
【実施例】次に、本発明を図面を参照しながら説明す
る。
【0007】第2図は本発明の一実施例を示すもので、
11は2リンクアーム(1)、12は2リンクアーム
(2)、13は2リンクアーム(3)、14は2リンク
アーム(4)、15は2リンクアーム(5)、16は2
リンクアーム(6)であり、17は各2リンクアームに
接続された回転型アクチュエータ(1)、18は回転型
アクチュエータ(2)、19は回転型アクチュエータ
(3)、20は回転型アクチュエータ(4)、21は回
転型アクチュエータ(5)、22は回転型アクチュエー
タ(6)であり、23は六つの回転型アクチュエータを
固定するベースプレート、24は各2リンクアームとそ
の先端に装備されたボールジョイントを介して接続され
たアッパープレート、25は宇宙機ダイナミクスを実現
した宇宙機ダイナミクスモデル、26は宇宙機ダイナミ
クスモデルの六つの2リンクアームによって支持された
アッパープレートとの間に装着された力検出器、27は
宇宙機ダイナミクスモデル内に装着された宇宙機姿勢制
御用アクチュエータ部、28は宇宙機ダイナミクスモデ
ル内に装着された宇宙機姿勢検出器、29は宇宙機ダイ
ナミクスモデルを支持する宇宙機支持機構、30は宇宙
機支持機構制御器、40は力信号、41は指令信号であ
る。
【0008】第3図は宇宙機支持機構29を上下反転さ
せた図である。本発明の宇宙機支持機構29では、第3
図に示すように六つある回転型アクチュエータ17、1
8、19、20、21、22の各々に回転(1自由度)
+ユニバーサル(2自由度)+ボール(3自由度)のジ
ョイントから構成される2リンクアームを装着し、その
2リンクアームによってアッパープレート24とベース
プレート23を結合することで、ベースプレート23に
装着された六つの回転型アクチュエータによりアッパー
プレート24の位置3自由度、姿勢3自由度(計6自由
度)の駆動が可能となる。この様子を第4図によって示
す。第4図(1)は図に示した座標系において、x方向
の変位を行った時の宇宙機支持機構29の様子であり、
(2)はy方向の変位、(3)はz方向の変位、(4)
はx軸回りの姿勢変化、(5)はy軸回り姿勢変化、
(6)はz軸回り姿勢変化である。第4図で示すように
この宇宙機支持機構29では、その変位量に大小はある
もののベースプレートに対してアッパープレートが6自
由度を持つことがわかる。
【0009】上記構成において、宇宙機ダイナミクスモ
デル25自身が内蔵している宇宙機姿勢制御用アクチュ
エータ部27によって発生する内力や宇宙機ダイナミク
スモデル25に外力が作用した場合には、宇宙機ダイナ
ミクスモデル25と宇宙機支持機構29の間に装着した
力検出器26により加えられた力の6方向成分を検出
し、その力信号40が宇宙機支持機構制御器30内に取
り込まれる。さらにこの宇宙機支持機構制御部30内で
は、検出した力信号40をもとに宇宙機ダイナミクスモ
デル25の取るべき姿勢を算出し、宇宙機支持装置29
のアッパープレート24が算出した姿勢となるようにベ
ースプレート23に固定された六つの回転型アクチュエ
ータ(17〜22)の指令信号41を生成する。ここで
力検出器26で検出する力ベクトルをf、また宇宙機ダ
イナミクスモデル25の質量行列をMとすると、宇宙ダ
イナミクスモデル25に力fが加わることで得られる加
速度ベクトルaを a=M-1f (1) で求める。ここで求めた加速度ベクトルaを2回時間積
分することで宇宙機の取るべき位置・姿勢のベクトルp
を得る。またここで得た位置・姿勢ベクトルpから、幾
何学的な拘束条件を用いてアッパープレートと各2リン
クアームを結ぶボールジョイントの位置を算出する。第
5図にこの幾何学的な関係図を示す。図から宇宙機の位
置ベクトルを改めて(X,Y,Z,1)T 、また姿勢ベ
クトルをs、n、qとすると各ボールジョイント位置(
aiλij,aiρij,aiμij,1)T と宇宙機の位置・姿勢
との間には次の関係式が成立する。
【0010】
【数1】
【0011】である。そこでアッパープレート24を支
持するボールドジョイントの位置が(aiλij,aiρij,
aiμij,1)T となるため回転型アクチュエータ(17
〜22)がとるべき回転角θijは次の式で与えられる。
【0012】
【数2】
【0013】である。
【0014】さらに宇宙機ダイナミクスモデル25は、
その姿勢を検出するための宇宙機姿勢検出器28と姿勢
を制御するための宇宙機制御用アクチュエータ部27が
宇宙機支持装置24とは独立に搭載しており、宇宙機支
持機構29の動作に関わらず、宇宙機姿勢検出器28に
よる宇宙機ダイナミクスモデル姿勢信号をもとに宇宙機
制御用アクチュエータ部27からその姿勢を制御するた
めのトルクを出力し、宇宙機モデル25自身でその位置
・姿勢を制御することが可能である。
【0015】以上に示した(1)、(2)、(3)式を
宇宙機支持機構制御器30で実現することによって、力
検出器26で検出した力信号40をもとに回転型アクチ
ュエータ(17〜22)への指令信号41を宇宙機支持
機構制御器30によって生成し、宇宙機ダイナミクスモ
デル25の位置・姿勢をベースプレート23に固定され
た各回転型アクチュエータ(17〜22)を駆動するこ
とで任意に変動させることが可能である。
【0016】
【発明の効果】本発明の宇宙機ダイナミクス模擬装置
は、以上に説明したとおり、アクチュエータ部27なら
びに姿勢検出器28を搭載した宇宙機ダイナミクスモデ
ル25を、力検出器26を装備した6自由度動作が可能
な宇宙機支持機構29上に装着することで、宇宙機の6
自由度ダイナミクスを地上において模擬することが可能
となり、各軸間の干渉などを地上で検証することが容易
となる効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の宇宙機ダイナミクス模擬装置を示す構成
図。
【図2】本発明の一実施例を示す構成図。
【図3】宇宙機支持機構を示す構成図。
【図4】宇宙機支持機構の動きを示す図。
【図5】宇宙機支持機構の幾何学的パラメータを示す
図。
【符号の説明】
1 一軸空気軸受テーブル 2 搭載機器 3 支持台 4 高圧空気供給用パイプ 5 テーブル角度検出器 6 DCブラシレスモータステータ 7 DCブラシレスモータロータ 8 床 9 宇宙機ダイナミクスシミュレータ 10 DCブラシレスモータ駆動回路 11 2リンクアーム(1) 12 2リンクアーム(2) 13 2リンクアーム(3) 14 2リンクアーム(4) 15 2リンクアーム(5) 16 2リンクアーム(6) 17 回転型アクチュエータ(1) 18 回転型アクチュエータ(2) 19 回転型アクチュエータ(3) 20 回転型アクチュエータ(4) 21 回転型アクチュエータ(5) 22 回転型アクチュエータ(6) 23 ベースプレート 24 アッパープレート 25 力検出器 26 宇宙機ダイナミクスモデル 27 宇宙機姿勢制御用アクチュエータ部 28 宇宙機姿勢検出器 29 宇宙機支持機構 30 宇宙機支持機構制御部 31 ユニバーサルジョイント(1) 32 ボールジョイント(1) 40 力信号 41 指令信号

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 宇宙機の軌道上でのダイナミクスを地上
    において模擬する宇宙機ダイナミクス模擬装置におい
    て、二つのリンクがユニバーサルジョイントで接続され
    一端にはボールジョイント他端には回転型アクチュエー
    タが装着してある複数の2リンクアームと、前記各2リ
    ンクアームの一端に装着した前記回転型アクチュエータ
    を固定するベースプレートと、他端に装着した前述ボー
    ルジョイントを介して前記各2リンクアームと接続する
    アッパープレートからなり、前記各回転型アクチュエー
    タの回転角を調整することで、前記アッパープレートの
    3次元的位置ならびに姿勢を自由に変更することを可能
    とする宇宙機支持機構と、本体内部に自身の姿勢を変化
    させるアクチュエータと自身の姿勢変動を検出する姿勢
    検出器を装備した宇宙機ダイナミクスモデルと、前記ア
    ッパープレートと前記宇宙機ダイナミクスモデルを接続
    し、かつ前記宇宙機ダイナミクスモデルに加わる外力や
    前記宇宙機ダイナミクスモデル自身が発生する力を検出
    する力検出器と、前記力検出器によって検出された力を
    もとに前記宇宙機ダイナミクスモデルがとるべき姿勢を
    算出し、前記各回転型アクチュエータに対する指令信号
    を生成する宇宙機支持機構制御器を具備したことを特徴
    とする宇宙機ダイナミクス模擬装置。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100455719B1 (ko) * 2002-11-27 2004-11-06 한국전자통신연구원 위성 시뮬레이션을 위한 모델링 시스템 및 그 방법
CN103569377A (zh) * 2012-08-06 2014-02-12 深圳航天东方红海特卫星有限公司 用于在轨服务的空间目标模拟系统
CN106404346A (zh) * 2015-07-31 2017-02-15 北京航天计量测试技术研究所 大口径相机重力变形对像质影响测试设备
CN108945537A (zh) * 2018-08-31 2018-12-07 天津航天机电设备研究所 基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置
CN116654301A (zh) * 2023-07-17 2023-08-29 哈尔滨工业大学 一种基于并联机构的微重力模拟装置

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