CN106218921B - 一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构及方法，包括八面体卫星平台，所述八面体卫星平台包括对称设置的上平台和下平台，所述上平台包括缓冲平台以及连接在缓冲平台上的若干缓冲杆，上平台和下平台之间连接有若干伸缩杆，伸缩杆上连接有驱动机构，驱动机构上连接有用于抓捕空间碎片的柔性机械臂。本发明可通过空间碎片对缓冲平台的碰撞触发对空间碎片的被动抓捕，同时抓捕机构所装配的缓冲机构还可以对碰撞过程的撞击力进行缓冲，减少碰撞过程对机构的损坏。

Description

一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构及方法

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构及方法。

背景技术

日益增长的空间碎片已经严重影响到人类正常的航天活动。近年来各航天大国及国际研究机构均已达成普遍共识：仅实施碎片减缓还远远不够，即使不再生成新碎片，空间现存的碎片与碎片、碎片与卫星的碰撞仍将继续，也会产生更多的碎片，从而发生链式反应，因此必须进行空间碎片主动清除工作。

现阶段对空间碎片的主动清除工作主要利用卫星搭载抓捕装置，通过控制卫星机动接近空间碎片，然后通过喷射气体调整卫星姿态，利用卫星所搭载的抓捕装置对空间碎片进行抓捕。此技术在抓捕碎片的过程中需要进行对卫星进行姿态调整使其处于合适的抓捕位置，该过程需要精确和复杂的姿态控制，增加了控制难度。此外，空间碎片的抓捕过程中，由于空间碎片一般处于高速翻滚状态，现有的刚性抓捕机构极易在抓捕过程中与空间碎片发生刚性碰撞，从而对抓捕机构造成损伤；不仅如此，对于未安装合作抓持机构的己方飞行器，空间大尺寸碎片的在轨抓捕，使用现有的抓捕机构很难对目标进行可靠抓捕，需要机械抓捕机构具有较大的尺寸，从而增大了抓捕机构及其控制系统的复杂程度、整体质量和操作难度，降低了系统的可靠性，增加了制造和发射成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明可通过空间碎片对缓冲平台的碰撞触发对空间碎片的被动抓捕，同时抓捕机构所装配的缓冲机构还可以对碰撞过程的撞击力进行缓冲，减少碰撞过程对机构的损坏。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构，包括八面体卫星平台，所述八面体卫星平台包括对称设置的上平台和下平台，所述上平台包括缓冲平台以及连接在缓冲平台上的若干缓冲杆，上平台和下平台之间连接有若干伸缩杆，伸缩杆上连接有驱动机构，驱动机构上连接有用于抓捕空间碎片的柔性机械臂。

进一步地，所述缓冲平台包括位于外侧的碰撞平台以及位于内侧的支撑平台，且碰撞平台与支撑平台之间通过若干支撑杆连接。

进一步地，碰撞平台的外沿连接有三根主缓冲杆，主缓冲杆的底部设置有足垫，支撑平台的外沿连接有六根辅缓冲杆，辅缓冲杆的自由端与主缓冲杆连接。

进一步地，上平台的足垫和下平台的足垫之间通过弹性连接件连接，且上平台的足垫和下平台的足垫之间设有能够使柔性机械臂穿过的间隙。

进一步地，碰撞平台为圆形结构，支撑平台为圆环结构，且碰撞平台的外径大于支撑平台的外径。

进一步地，上平台和下平台之间连接有三根伸缩杆，且伸缩杆设置在上平台和下平台的碰撞平台之间。

进一步地，驱动机构包括固定在伸缩杆上的驱动电机座，驱动电机座上固定有驱动电机，驱动电机的输出端连接有用于驱动柔性机械臂的驱动轮。

进一步地，柔性机械臂的端部设有卡位销，伸缩杆上设有与卡位销配合的限位槽。

一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕方法，当抓捕机构周围存在空间碎片时，柔性机械臂在驱动机构的作用下从八面体卫星平台的内部伸展出来，当空间碎片碰撞到缓冲平台时，连接缓冲平台的缓冲杆对碰撞能量进行缓冲，缓冲后剩余的撞击力对伸展的柔性机械臂产生压力，从而触发柔性机械臂产生快速弯曲变形，进而实现对空间碎片的被动抓捕。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所提出的柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构，采用柔性机械臂，可以很好地缓冲抓捕过程中抓捕机构与空间碎片的碰撞，从而降低了抓捕机构损坏的可能，并且可以确保与抓捕目标的紧密贴合，对具有不规则形状及较大尺寸范围的空间碎片具有良好的适应能力，因此具有很高的安全性和可靠性，另外柔性机械臂在工作时伸展于卫星平台外部，而在发射时可收缩于卫星平台内部，因此极大地节省了发射空间，本发明的抓捕过程采用完全被动的碰撞触发模式，对碰撞力进行主动利用，避免了碎片抓捕过程中主动控制的复杂性和操作难度，从而使抓捕过程具有非常好的自主性。不仅如此，该机构还装配有若干缓冲杆及伸缩杆，可以对碰撞过程中的能量进行耗散，从而避免了抓捕机构的损坏。

进一步地，上平台的足垫和下平台的足垫之间通过弹性连接件连接，在碰撞过程中，缓冲后剩余的撞击力压缩两个足垫之间的弹性连接件，使足垫对柔性机械臂产生压力，从而触发柔性机械臂产生快速弯曲变形，进而实现对空间碎片的被动抓捕。

进一步地，柔性机械臂的端部设有卡位销，伸缩杆上设有与卡位销配合的限位槽，对柔性机械臂的最大行程进行限制。

本发明方法在抓捕机构周围存在空间碎片时，柔性机械臂在驱动机构的作用下从八面体卫星平台的内部伸展出来，当空间碎片碰撞到缓冲平台时，连接缓冲平台的缓冲杆对碰撞能量进行缓冲，缓冲后剩余的撞击力对伸展的柔性机械臂产生压力，从而触发柔性机械臂产生快速弯曲变形，进而实现对空间碎片的被动抓捕，可通过空间碎片对缓冲平台的碰撞触发对空间碎片的被动抓捕，同时抓捕机构所装配的缓冲杆及伸缩杆还可以对碰撞过程的撞击力进行缓冲，减少碰撞过程对机构的损坏。

附图说明

图1为柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构处于收缩状态的示意图；

图2为柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构处于伸展状态的示意图；

图3为机械臂伸缩驱动机构的示意图；

图4为柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构抓捕示意图；

图5为八面体卫星平台的上平台示意图；

图6为上平台和下平台的足垫之间结构示意图。

图中：1为八面体卫星平台，1-1为缓冲平台，1-2为主缓冲杆，1-3为辅缓冲杆，1-4为足垫，1-5为弹性连接件，1-6为间隙，2为柔性机械臂，3为驱动机构，3-1为驱动轮，3-2为驱动电机，3-3为驱动电机座，3-4为伸缩杆，4为卡位销。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1至图6，一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构，包括八面体卫星平台1，所述八面体卫星平台1包括对称设置的上平台和下平台，所述上平台包括缓冲平台1-1以及连接在缓冲平台1-1上的若干缓冲杆，缓冲杆都由外筒、内杆和液压阻尼器三部分组成，用于缓冲，上平台和下平台之间连接有若干伸缩杆3-4，伸缩杆3-4上连接有驱动机构3，驱动机构3上连接有用于抓捕空间碎片的柔性机械臂2，所述缓冲平台1-1包括位于外侧的碰撞平台以及位于内侧的支撑平台，且碰撞平台与支撑平台之间通过若干支撑杆连接，碰撞平台为圆形结构，支撑平台为圆环结构，且碰撞平台的外径大于支撑平台的外径，碰撞平台的外沿连接有三根主缓冲杆1-2，主缓冲杆1-2的底部设置有足垫1-4，支撑平台的外沿连接有六根辅缓冲杆1-3，辅缓冲杆1-3的自由端与主缓冲杆1-2连接，上平台的足垫1-4和下平台的足垫1-4之间通过弹性连接件1-5连接，且上平台的足垫1-4和下平台的足垫1-4之间设有能够使柔性机械臂2穿过的间隙；上平台和下平台之间连接有三根伸缩杆3-4，且伸缩杆3-4设置在上平台和下平台的碰撞平台之间，驱动机构3包括固定在伸缩杆3-4上的驱动电机座3-3，伸缩杆3-4是由两端向中间伸缩的，驱动电机座3-3安装在伸缩杆3-4中部的固定部分，驱动电机座3-3上固定有驱动电机3-2，驱动电机3-2的输出端连接有用于驱动柔性机械臂2的驱动轮3-1，柔性机械臂2的端部设有卡位销4，伸缩杆3-4上设有与卡位销4配合的限位槽。

一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕方法，当抓捕机构周围存在空间碎片时，柔性机械臂2在驱动机构3的作用下从八面体卫星平台1的内部伸展出来，当空间碎片碰撞到缓冲平台1-1时，连接缓冲平台1-1的缓冲杆对碰撞能量进行缓冲，缓冲后剩余的撞击力对伸展的柔性机械臂2产生压力，从而触发柔性机械臂2产生快速弯曲变形，进而实现对空间碎片的被动抓捕。

下面结合附图对本发明的实施过程作进一步描述：

图1为柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构处于收缩状态的示意图。其中八面体卫星平台1的缓冲平台1-1，用于与空间碎片发生碰撞触发抓捕机构；卫星平台的主缓冲杆1-2和辅缓冲杆1-3可以对碰撞过程中的撞击力进行缓冲。当抓捕机构处于收缩状态时，柔性抓捕机械臂2收缩于八面体卫星平台1内部。

图2为柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构处于伸展状态的示意图。当抓捕机构周围存在空间碎片时，柔性机械臂2将在驱动机构3的作用下从八面体卫星平台1的内部伸展出来。

图3为机械臂伸缩驱动机构的示意图，通过驱动电机3-2的转动，带动驱动轮3-1的旋转，通过驱动轮3-1与柔性机械臂2之间的接触，实现柔性机械臂2的伸缩运动。驱动电机座3-3固定在上平台与下平台之间的伸缩杆3-4上。位于柔性机械臂2端部的卡位销4对柔性机械臂2的最大行程进行限制，从而实现柔性机械臂2相对于卫星平台的伸缩运动。

图4为柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构抓捕示意图。当空间碎片碰撞到卫星平台的缓冲平台1-1时，连接在缓冲平台1-1上的主缓冲杆1-2和辅缓冲杆1-3将对碰撞能量进行缓冲，从而保护卫星平台免受碰撞损坏，另一方面，缓冲后剩余的撞击力将对伸展的三根柔性机械臂2同时均匀施力，从而触发柔性机械臂由于屈服效应产生快速弯曲变形，从而实现对空间碎片的被动抓捕。

图5为八面体卫星平台的上平台结构示意图，整个八面体卫星平台由此图的结构对称组成。

图6为上平台和下平台的足垫之间结构示意图，上平台的足垫1-4和下平台的足垫1-4之间通过弹性连接件1-5连接，此处的弹性连接件1-5采用缓冲伸缩杆，且上平台的足垫1-4和下平台的足垫1-4之间设有能够使柔性机械臂2穿过的间隙1-6，当由缓冲平台1传递来的撞击力传递到足垫1-4时，足垫1-4之间的弹性连接件1-5将在撞击力的作用下被压缩，从而使两个足垫1-4之间的间隙减小，并与位于间隙1-6中的柔性机械臂2接触，从而将撞击力传递到柔性机械臂2上，引起柔性机械臂2的相应方向的弯曲，从而对空间碎片实现抓捕。

本发明的抓捕机构的载体是一个八面体卫星平台1，其中卫星平台的两端为主要工作平台，即缓冲平台1-1，空间碎片对缓冲平台1-1的碰撞可触发对空间碎片的被动抓捕，同时该缓冲平台1-1还可以将碰撞过程的能量传递给缓冲杆，从而避免碰撞过程对抓捕机构的损坏。对空间碎片的抓捕则是通过装载在八面体卫星平台1上的可伸缩的柔性机械臂2实现。当抓捕机构周围不存在空间碎片时，柔性机械臂2收缩于卫星平台内部；当周围存在空间碎片时，柔性机械臂2则在驱动机构3的作用下伸展在卫星平台的外部。一旦有空间碎片撞击到八面体卫星平台1的缓冲平台1-1上，位于缓冲平台1-1下方的缓冲杆首先对碰撞能量进行缓冲，缓冲后的剩余能量将触发柔性机械臂2的抓捕运动，从而实现对空间碎片的全被动抓捕。

Claims (6)

1.一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构，其特征在于，包括八面体卫星平台(1)，所述八面体卫星平台(1)包括对称设置的上平台和下平台，所述上平台包括缓冲平台(1-1)以及连接在缓冲平台(1-1)上的若干缓冲杆，上平台和下平台之间连接有若干伸缩杆(3-4)，伸缩杆(3-4)上连接有驱动机构(3)，驱动机构(3)上连接有用于抓捕空间碎片的柔性机械臂(2)；所述缓冲平台(1-1)包括位于外侧的碰撞平台以及位于内侧的支撑平台，且碰撞平台与支撑平台之间通过若干支撑杆连接；碰撞平台的外沿连接有三根主缓冲杆(1-2)，主缓冲杆(1-2)的底部设置有足垫(1-4)，支撑平台的外沿连接有六根辅缓冲杆(1-3)，辅缓冲杆(1-3)的自由端与主缓冲杆(1-2)连接；上平台的足垫(1-4)和下平台的足垫(1-4)之间通过弹性连接件(1-5)连接，且上平台的足垫(1-4)和下平台的足垫(1-4)之间设有能够使柔性机械臂(2)穿过的间隙(1-6)。

2.根据权利要求1所述的一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构，其特征在于，碰撞平台为圆形结构，支撑平台为圆环结构，且碰撞平台的外径大于支撑平台的外径。

3.根据权利要求2所述的一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构，其特征在于，上平台和下平台之间连接有三根伸缩杆(3-4)，且伸缩杆(3-4)设置在上平台和下平台的碰撞平台之间。

4.根据权利要求1所述的一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构，其特征在于，驱动机构(3)包括固定在伸缩杆(3-4)上的驱动电机座(3-3)，驱动电机座(3-3)上固定有驱动电机(3-2)，驱动电机(3-2)的输出端连接有用于驱动柔性机械臂(2)的驱动轮(3-1)。

5.根据权利要求1所述的一种柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构，其特征在于，柔性机械臂(2)的端部设有卡位销(4)，伸缩杆(3-4)上设有与卡位销(4)配合的限位槽。

6.一种采用权利要求1所述柔性可伸缩碰撞触发的抓捕机构的抓捕方法，其特征在于，当抓捕机构周围存在空间碎片时，柔性机械臂(2)在驱动机构(3)的作用下从八面体卫星平台(1)的内部伸展出来，当空间碎片碰撞到缓冲平台(1-1)时，连接缓冲平台(1-1)的缓冲杆对碰撞能量进行缓冲，缓冲后剩余的撞击力对伸展的柔性机械臂(2)产生压力，从而触发柔性机械臂(2)产生快速弯曲变形，进而实现对空间碎片的被动抓捕。