CN104176279B - 一种非合作目标捕获机构 - Google Patents
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Abstract
一种非合作目标捕获机构，它涉及一种捕获机构。本发明为了解决现有的对接捕获装置无法通用于不同尺寸的接口，无法实现太空环境下与非合作目标的对接。本发明的导轨支撑架安装在航天器机体上，支撑外壳竖直固定设置在航天器机体上，缓冲平台基座安装在支撑外壳的上端，柱状缓冲套安装在缓冲平台基座上的凹槽内，球头缓冲件安装在柱状缓冲套内，缓冲平台通过缓冲平台连接板与球头缓冲件连接，传动丝杠轴的一端与力矩电机连接，传动丝杠轴的另一端与传动轴末端支架连接，可控螺母和移动螺母由上至下依次设置在传动丝杠轴上，末端机械臂的下端通过多个剪铰机构分别与移动螺母和可控螺母可转动连接。本发明用于航天器发动机喷嘴和星箭对接。
Description
技术领域
本发明涉及一种非合作目标交会对接时的捕获机构，是针对航天器发动机喷嘴和星箭对接的。
背景技术
空间非合作目标对接，是指在目标航天器状态未知，没有专有的对接接口且无法通信的情况下进行对接。在非合作情况下增加了对目标进行识别、测量和抓捕等操作的难度。
空间非合作目标对接在民用方面有重大意义。一方面卫星所需的燃料消耗完全便不能再保持在正常的运转轨道高度，最后只能结束使用，但是通常卫星的导航系统功能、通信系统等都处于良好状态。为了满足之前的需求，目前通常采用的方式就是发射新的卫星来代替失效的卫星，这会导致代价沉重的资源浪费，而且还增加了太空垃圾，污染了对人类意义重大的轨道。另一方面卫星可能遇到系统软件或者硬件需要升级、关键部件失效等问题，这些问题得不到解决将会导致卫星失效。基于此，可以将非合作目标对接技术应用在开发空间服务卫星上。空间服务卫星可以通过卫星自身所携带的对接机构对失效卫星进行对接捕获，对失效卫星进行补给燃料、交换数据、更换与升级零部件、重新定位入轨以及升级软件等操作，以此来抢救维修失效卫星、拓展与升级目标卫星功能，以及延长目标卫星使用寿命。
非合作目标上没有安装专用的对接捕获接口，需要在目标航天器上选择已有机构作为对接接口。针对相对应对接接口的非合作目标对接机构主要有：多指手爪、远地点发动机捕获机构、飞网飞爪及其他包络装置、对接环抓捕装置、分离螺栓对接机构、三臂型对接捕获装置等。但是上述现有的对接捕获装置无法适用于不同尺寸的通用接口，无法实现太空环境下与非合作目标的对接。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的对接捕获装置无法通用于不同尺寸的接口，无法实现太空环境下与非合作目标的对接。进而提供一种非合作目标捕获机构。
本发明的技术方案是：一种非合作目标捕获机构包括航天器机体、导轨支撑架、末端机械臂、导轨支座、球头柱销、柱头弹簧、挡板、球头末端、导轨、导轨支撑板、缓冲平台、缓冲平台基座、柱状缓冲套、球头缓冲件、缓冲平台连接板、多个剪铰机构、支撑外壳、力矩电机、传动丝杠轴、传动轴末端支架、移动螺母、可控螺母、锁芯、可控螺母外壳和电磁线圈，
导轨支撑架安装在航天器机体上，导轨支撑板安装在导轨支撑架上，支撑外壳竖直固定设置在航天器机体上，缓冲平台基座安装在支撑外壳的上端，柱状缓冲套安装在缓冲平台基座上的凹槽内，球头缓冲件安装在柱状缓冲套内，缓冲平台通过缓冲平台连接板与球头缓冲件连接，力矩电机安装在支撑外壳的下端，传动轴末端支架安装在缓冲平台基座的底端，传动丝杠轴的一端与力矩电机的转子部分连接，传动丝杠轴的另一端与传动轴末端支架连接，可控螺母和移动螺母由上至下依次设置在传动丝杠轴上，可控螺母外壳安装在可控螺母上，锁芯设置在可控螺母外壳上，电磁线圈设置在可控螺母外壳上并与锁芯连接控制锁芯的伸缩，导轨安装在导轨支撑板上，导轨支座可滑动安装在导轨上，末端机械臂竖直安装在导轨支座上，且末端机械臂在导轨支座的带动下在导轨上滑动，末端机械臂与导轨支座之间通过球头柱销和柱头弹簧连接，导轨支座的内侧壁上设有挡板，且所述挡板与柱头弹簧相抵设，末端机械臂的上端设有球头末端，末端机械臂的下端通过多个剪铰机构分别与移动螺母和可控螺母可转动连接。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1.本发明通过调整末端机械臂的大小，从而针对不同的对接目标进行捕获，具有适应性，能适应不同尺寸的通用接口。
2.本发明消除了两个航天器在初始对接时的误差，保证在初始条件内可以完成对接过程，具有良好的容错性。
3.本发明具有缓冲功能，能够减小在抓捕过程中目标航天器对本体航天器的损坏。
4.本发明在抓捕完成后具备自锁功能，通过机构本身的对目标进行固定，保证抓捕的稳定性。
5.本发明结构简单、方便实用、操作灵活。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种非合作目标捕获机构包括航天器机体1、导轨支撑架2、末端机械臂3、导轨支座4、球头柱销5、柱头弹簧6、挡板7、球头末端8、导轨9、导轨支撑板10、缓冲平台11、缓冲平台基座12、柱状缓冲套13、球头缓冲件14、缓冲平台连接板15、多个剪铰机构A、支撑外壳20、力矩电机21、传动丝杠轴22、传动轴末端支架23、移动螺母24、可控螺母25、锁芯26、可控螺母外壳27和电磁线圈28，
导轨支撑架2安装在航天器机体1上，导轨支撑板10安装在导轨支撑架2上，支撑外壳20竖直固定设置在航天器机体1上，缓冲平台基座12安装在支撑外壳20的上端，柱状缓冲套13安装在缓冲平台基座12上的凹槽内，球头缓冲件14安装在柱状缓冲套13内，缓冲平台11通过缓冲平台连接板15与球头缓冲件14连接，力矩电机21安装在支撑外壳20的下端，传动轴末端支架23安装在缓冲平台基座12的底端，传动丝杠轴22的一端与力矩电机21的转子部分连接，传动丝杠轴22的另一端与传动轴末端支架23连接，可控螺母25和移动螺母24由上至下依次设置在传动丝杠轴22上，可控螺母外壳27安装在可控螺母25上，锁芯26设置在可控螺母外壳27上，电磁线圈28设置在可控螺母外壳27上并与锁芯26连接控制锁芯26的伸缩，导轨9安装在导轨支撑板10上，导轨支座4可滑动安装在导轨9上，末端机械臂3竖直安装在导轨支座4上，且末端机械臂3在导轨支座4的带动下在导轨9上滑动，末端机械臂3与导轨支座4之间通过球头柱销5和柱头弹簧6连接，导轨支座4的内侧壁上设有挡板7，且所述挡板7与柱头弹簧6相抵设，末端机械臂3的上端设有球头末端8，末端机械臂3的下端通过多个剪铰机构A分别与移动螺母24和可控螺母25可转动连接。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的导轨支撑架2在竖直方向上设有滑槽2-1。如此设置，便于满足剪铰机构A沿特定的轨迹运行。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的每个剪铰机构A均包括第一剪铰机构杆16、第二剪铰机构杆17、第三剪铰机构杆18和第四剪铰机构杆19，第一剪铰机构杆16的一端与可控螺母外壳27之间可转动连接，第一剪铰机构杆16的另一端通过设置在导轨支撑架2的滑槽2-1内的连接销与第四剪铰机构杆19的一端可转动连接，第四剪铰机构杆19的另一端与末端机械臂3的下端通过设置在导轨支撑架2的滑槽2-1内的连接销可转动连接，第二剪铰机构杆17的一端与移动螺母24可转动连接，第二剪铰机构杆17的另一端与第三剪铰机构杆18的一端可转动连接，第二剪铰机构杆17与第一剪铰机构杆16的交汇处通过连接销可转动连接，第三剪铰机构杆18的另一端与第四剪铰机构杆19通过连接销可转动连接。如此设置，运动灵活、可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的捕获机构还包括缓冲弹簧30，缓冲弹簧30设置在柱状缓冲套13的下端与缓冲平台基座12的凹槽底端面之间。如此设置，便于保证对接时的安全顺利进行。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的末端机械臂3的内侧壁上开设多个与球头柱销5形状和尺寸相匹配的限位槽31。如此设置，便于实现对每个剪铰机构A的伸缩。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的所述捕获机构还包括辅助弹簧32，辅助弹簧32安装在球头末端8外侧的末端机械臂3内。如此设置，为对接过程提供缓冲。其它组成和连接关系与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的捕获机构还包括弹簧柱销33，传动轴末端支架23水平开设槽孔，弹簧柱销33安装在传动轴末端支架23的槽孔内。如此设置，限制可控螺母25的运行极限位置。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的弹簧柱销33包括限位柱销34和限位弹簧35，限位弹簧35的一端与限位柱销34固定连接，限位弹簧35的另一端固定安装在传动轴末端支架23的槽孔内，可控螺母外壳27的上部设有与所述限位柱销形状和大小相匹配的限位孔36。如此设置，通过弹簧柱销33弹入到槽孔内限制可控螺母外壳27的运动位置。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七相同。
本发明的工作原理是：
整个对接过程中，对接机构的运动过程分为四个阶段：准备阶段、靠近目标阶段、包络目标阶段、收回阶段。
在对接过程中的准备阶段，力矩电机驱动传动丝杠轴进行转动，使丝杠螺母向上运动，同时控制可控螺母空转，在垂直方向上没有位移，同时球头柱销使末端机械臂与导轨支座固定在一起，根据最小力原则，末端机械臂将在滑轨上做水平运动，从而实现了剪铰机构A使末端机械臂横向移动，执行张开动作；
在靠近目标阶段，当末端机械臂张开到一定范围后，可控螺母的电磁线圈供电，从而使可控螺母与移动螺母同时沿着传动丝杠轴向上移动，移动螺母和可控螺母之间的距离不变，那么剪铰机构A带动末端机械臂在水平方向上并没有位移，球头柱销受到压缩，从而实现了末端执行机构的上升动作，直至可控螺母运动至传动轴末端支架通过球头柱销实现配合后，上升动作停止，完成了末端执行机构靠近目标的动作；
在包络目标阶段，可控螺母与锁紧机构暂时锁紧，在垂直方向上没有位移，控制力矩电机驱动传动丝杠轴反转，移动螺母向下运动，剪铰机构A使末端机械臂横向移动，当末端机械臂与捕获目标接触后，完成对目标的包络动作；
在收回阶段，当球头末端与目标接触并且充分压缩弹簧之后，力矩电机驱动传动丝杠轴反转，可控螺母与传动轴末端支架分离，控制可控螺母与移动螺母同时以相同的速度向下运动，从而将捕获目标拉近至缓冲平台，并柱状缓冲套与球头缓冲的配合用弹簧实现缓冲，当航天器与目标航天器最终静止稳定后，电机停止转动，通过梯形丝杠完成自锁，最终实现对非合作目标的捕获。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (8)
1.一种非合作目标捕获机构，其特征在于：它包括航天器机体(1)、导轨支撑架(2)、末端机械臂(3)、导轨支座(4)、球头柱销(5)、柱头弹簧(6)、挡板(7)、球头末端(8)、导轨(9)、导轨支撑板(10)、缓冲平台(11)、缓冲平台基座(12)、柱状缓冲套(13)、球头缓冲件(14)、缓冲平台连接板(15)、多个剪铰机构(A)、支撑外壳(20)、力矩电机(21)、传动丝杠轴(22)、传动轴末端支架(23)、移动螺母(24)、可控螺母(25)、锁芯(26)、可控螺母外壳(27)和电磁线圈(28)，
导轨支撑架(2)安装在航天器机体(1)上，导轨支撑板(10)安装在导轨支撑架(2)上，支撑外壳(20)竖直固定设置在航天器机体(1)上，缓冲平台基座(12)安装在支撑外壳(20)的上端，柱状缓冲套(13)安装在缓冲平台基座(12)上的凹槽内，球头缓冲件(14)安装在柱状缓冲套(13)内，缓冲平台(11)通过缓冲平台连接板(15)与球头缓冲件(14)连接，力矩电机(21)安装在支撑外壳(20)的下端，传动轴末端支架(23)安装在缓冲平台基座(12)的底端，传动丝杠轴(22)的一端与力矩电机(21)的转子部分连接，传动丝杠轴(22)的另一端与传动轴末端支架(23)连接，可控螺母(25)和移动螺母(24)由上至下依次设置在传动丝杠轴(22)上，可控螺母外壳(27)安装在可控螺母(25)上，锁芯(26)设置在可控螺母外壳(27)上，电磁线圈(28)设置在可控螺母外壳(27)上并与锁芯(26)连接控制锁芯(26)的伸缩，导轨(9)安装在导轨支撑板(10)上，导轨支座(4)可滑动安装在导轨(9)上，末端机械臂(3)竖直安装在导轨支座(4)上，且末端机械臂(3)在导轨支座(4)的带动下在导轨(9)上滑动，末端机械臂(3)与导轨支座(4)之间通过球头柱销(5)和柱头弹簧(6)连接，导轨支座(4)的内侧壁上设有挡板(7)，且所述挡板(7)与柱头弹簧(6)相抵设置，末端机械臂(3)的上端设有球头末端(8)，末端机械臂(3)的下端通过多个剪铰机构(A)分别与移动螺母(24)和可控螺母(25)可转动连接。
2.根据权利要求1所述一种非合作目标捕获机构，其特征在于：导轨支撑架(2)在竖直方向上设有滑槽(2-1)。
3.根据权利要求2所述一种非合作目标捕获机构，其特征在于：每个剪铰机构(A)均包括第一剪铰机构杆(16)、第二剪铰机构杆(17)、第三剪铰机构杆(18)和第四剪铰机构杆(19)，第一剪铰机构杆(16)的一端与可控螺母外壳(27)之间可转动连接，第一剪铰机构杆(16)的另一端通过设置在导轨支撑架(2)的滑槽(2-1)内的连接销与第四剪铰机构杆(19)的一端可转动连接，第四剪铰机构杆(19)的另一端与末端机械臂(3)的下端通过设置在导轨支撑架(2)的滑槽(2-1)内的连接销可转动连接，第二剪铰机构杆(17)的一端与移动螺母(24)可转动连接，第二剪铰机构杆(17)的另一端与第三剪铰机构杆(18)的一端可转动连接，第二剪铰机构杆(17)与第一剪铰机构杆(16)的交汇处通过连接销可转动连接，第三剪铰机构杆(18)的另一端与第四剪铰机构杆(19)通过连接销可转动连接。
4.根据权利要求1或3所述一种非合作目标捕获机构，其特征在于：所述捕获机构还包括缓冲弹簧(30)，缓冲弹簧(30)设置在柱状缓冲套(13)的下端与缓冲平台基座(12)的凹槽底端面之间。
5.根据权利要求4所述一种非合作目标捕获机构，其特征在于：所述末端机械臂(3)的内侧壁上开设多个与球头柱销(5)形状和尺寸相匹配的限位槽(31)。
6.根据权利要求1或5所述一种非合作目标捕获机构，其特征在于：所述捕获机构还包括辅助弹簧(32)，辅助弹簧(32)安装在球头末端(8)外侧的末端机械臂(3)内。
7.根据权利要求6所述一种非合作目标捕获机构，其特征在于：所述捕获机构还包括弹簧柱销(33)，传动轴末端支架(23)水平开设槽孔，弹簧柱销(33)安装在传动轴末端支架(23)的槽孔内。
8.根据权利要求7所述一种非合作目标捕获机构，其特征在于：所述弹簧柱销(33)包括限位柱销(34)和限位弹簧(35)，限位弹簧(35)的一端与限位柱销(34)固定连接，限位弹簧(35)的另一端固定安装在传动轴末端支架(23)的槽孔内，可控螺母外壳(27)的上部设有与所述限位柱销形状和大小相匹配的限位孔(36)。
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