CN106240849A - 航天器对接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器对接系统及方法，该系统包括主动对接装置和被动对接装置，所述主动对接装置包括主动对接环和对接框体，所述主动对接装置还包括三组缓冲机构，每组所述缓冲机构包括一个主缓冲器、两个丝杠螺母组件和一个自差缓冲器，所述丝杠螺母组件的上下两端分别活动连接于所述主动对接环和对接框体；每组中的两个所述丝杠螺母组件同时被一个所述主缓冲器驱动伸缩，两个所述丝杠螺母组件之间还通过所述自差缓冲器互相连接，进而通过所述自差缓冲器实现两个所述丝杠螺母组件相对的伸缩调整。

Description

航天器对接系统及方法

技术领域

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种航天器对接系统及方法。

背景技术

空间对接系统可以使两个航天器在空间轨道上结合并在结构上连接成一个整体。广泛应用于空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型设施在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等领域。例如：神舟十号飞船与天宫一号通过对接系统实现两者之间刚性连接，航天员通过对接通道从神舟飞船进入到天宫一号实验舱内。

大部分的对接系统都有一个机械结构，包括锁、锁钩和其他的机构。一般情况下，实现两航天器的连接有两种方法：对接或停靠。对接操作出现的情况是，当追踪航天器(如神舟飞船)在自主机动控制下进入捕获包络范围，与目标航天器对接系统接触碰撞(如天宫一号)。停靠操作出现的情况是，一个航天器(如空间站)上安装的外部的连接装置(如遥操作系统，即RMS)，连接到另一个航天器(如日本货运飞船)上，操纵其进入捕获范围，与空间站对接系统接触。对接和停靠操作需要两个航天器都有一个对接装置，从而将两个对接装置连接起来。

下面的论述描述了在任何对接过程中的主要阶段。首先是接近段，追踪航天器运动到对接捕获初始条件范围内。对接捕获初始条件是预先定义的一个围绕对接装置的区域，在对接和停靠前必须导引飞行器进入该区域。第二是导向对准阶段，将两个航天器对接环相互导向并对准。这个阶段通常驱动两飞行器相互靠近，在对接操作时，迫使对接环利用被动导向实现对准，或者利用RMS视觉提示校准偏差实现重新对准。第三是捕获阶段，主要是相互靠近的两航天器通过捕获装置(如捕获锁)实现柔性连接。第四是缓冲阶段，两航天器之间相对运动能量和剩余的相对运动通过对接系统进行吸收和消耗。第五是拉近阶段，主动对接装置将两飞行器拉近，通过对接框面的导向销套实现精确对准。最后阶段是刚性连接阶段，当两飞行器的对接框面处于接近位置时，对接锁工作，完成刚性连接，为两对接面提供刚性连接力和密封力，实现对接通道的密封。

我国神舟飞船对接系统为机电差动式对接系统，采用电机驱动机构的运动部分，而撞击能量的吸收依靠弹簧、电磁等形式的缓冲器。该对接系统能够根据不同位移方向动能的实际大小，被动的适应消耗各个方向的碰撞缓冲能量。但该对接系统非常复杂，仅差速器就有300多个传动齿轮，传动链中元件太多，系统惯性增加，降低了缓冲性能。同时重量、制造成本也大大增加。美国NASA提出了一种基于闭环力反馈控制的对接系统，采用数字控制装置进行闭环控制，此时捕获环的伸出、拉紧、校正和撞击能量的吸收依靠控制装置、滚珠丝杠、伺服电机、光电编码器、力和力矩传感器来自动完成。但该系统采用了高精度力传感器，对实时控制装置要求高且复杂，而且力传感器的漂移会对对接过程产生不利影响，甚至在缓冲过程中引起震荡。

发明内容

为了克服以上提到的现有技术的缺点，本发明提供了一种航天器对接系统，包括主动对接装置和被动对接装置，所述主动对接装置包括主动对接环和对接框体，所述主动对接装置还包括三组缓冲机构，每组所述缓冲机构包括一个主缓冲器、两个丝杠螺母组件和一个自差缓冲器，所述丝杠螺母组件的上下两端分别活动连接于所述主动对接环和对接框体；

每组中的两个所述丝杠螺母组件同时被一个所述主缓冲器驱动伸缩，两个所述丝杠螺母组件之间还通过所述自差缓冲器互相连接，进而通过所述自差缓冲器实现两个所述丝杠螺母组件相对的伸缩调整。

可选的，六个所述丝杠螺母组件的下端沿所述对接框体的均匀分布，所述丝杠螺母组件通过所述自差缓冲器连接所述主动对接环，三个所述自差缓冲器沿所述主动对接环的周向均匀分布。

可选的，所述主缓冲器包括主缓冲电机和主缓冲传动组件，每组中的两个所述丝杠螺母组件通过所述主缓冲传动组件被对应的一个所述主缓冲电机驱动。

可选的，所述主缓冲器还包括角度编码器，所述角度编码器被配置能够检测所述主缓冲传动组件或主缓冲电机输出的旋转运动的角度。

可选的，所述自差缓冲器包括两个齿轮和一个联系齿轮，每个齿轮与一个所述丝杠螺母组件连接，两个所述齿轮传动于同一所述联系齿轮，所述联系齿轮还能被一自差驱动结构控制。

可选的，所述自差驱动结构包括自差缓冲电机，和/或弹簧结构，和/或阻尼器，和/或离合器。

可选的，所述自差驱动结构通过加速或减速装置与所述联系齿轮连接。

可选的，每组所述缓冲机构还包括主离合器；仅当所述主离合器未打滑时，所述主缓冲器驱动丝杠螺母组件伸缩，所述主离合器在完成捕获动作前被配置的离合力矩小于其在捕获完成后被配置的离合力矩，所述主离合器在超出离合力矩的情况下，发生打滑。

可选的，每组所述缓冲机构还包括辅缓冲离合器；仅当所述辅缓冲离合器打滑时，所述自差缓冲器驱动丝杠螺母组件进行伸缩调整，所述辅缓冲离合器在完成捕获动作前被配置的离合力矩小于其在捕获完成后被配置的离合力矩，所述辅缓冲离合器在超出离合力矩的情况下，发生打滑。

可选的，所述主离合器和辅缓冲离合器的离合力矩通过输入所述主离合器和辅缓冲离合器的电压配置。

可选的，每组所述缓冲机构还包括检测所述丝杠螺母组件伸缩位移的杆位移传感器，和/或检测同组中两个丝杠螺母组件伸缩位移差值的杆自差传感器，所述主缓冲器和自差缓冲器被依据所述杆位移传感器和/或杆自差传感器检测反馈的数据进行控制，进而满足对接过程中的运动需求。

可选的，所述主缓冲器通过旋转运动实现所述丝杠螺母组件的伸缩驱动，所述自差缓冲器通过旋转运动实现两个所述丝杠螺母组件相对的伸缩调整；所述杆位移传感器和/或杆自差传感器采用旋转编码器或电位计或角度编码器。

可选的，所述丝杠螺母组件包括丝杆、螺母和传动齿轮组，所述螺母通过所述传动齿轮组被所述主缓冲器驱动旋转，所述丝杠与所述螺母匹配，进而通过所述螺母的旋转实现伸缩，所述丝杠连接所述主动对接环，且同一组中的两个丝杠通过所述自差缓冲器实现相对的伸缩调整。

所述的航天器对接系统还包括控制装置，所述主缓冲器通过旋转运动实现所述丝杠螺母组件的伸缩驱动，所述自差缓冲器通过旋转运动实现两个所述丝杠螺母组件相对的伸缩调整；所述杆位移传感器和/或杆自差传感器采用旋转编码器。

所述的航天器对接系统还包括控制装置，所述控制装置根据所检测到的所述丝杠螺母组件的伸缩状态对所述主缓冲器和自差缓冲器进行控制，以满足对接过程的运动需求。

本发明还提供了一种航天器对接方法，采用了本发明可选方案提供的航天器对接系统，包括如下步骤：

S1：所述主缓冲器和/或自差缓冲器被调整为捕获模式，通过三个所述主缓冲器驱动六个所述丝杠螺母组件伸出，从而将所述主动对接环推出；

S2：所述主动对接环与被动对接装置接触后，所述主动对接环在相互作用力下发生偏转，依据所述主缓冲器和/或自差缓冲器采集而来的所述丝杠螺母组件的伸缩数据，通过所述主缓冲器驱动所述丝杠螺母组件进行伸出，以实现相应的导向和对准；

S3：所述主动对接环与被动对接装置的被动对接环之间通过其上的捕获装置实现柔性连接；完成柔性连接后，所述主缓冲器和/或自差缓冲器调整为缓冲模式，捕获传感装置被触发，进入步骤S4或S5；

S4：依据所述主缓冲器和/或自差缓冲器采集而来的所述丝杠螺母组件的伸缩数据，通过所述主缓冲器和/或自差缓冲器控制所述丝杠螺母组件的伸缩情况，使其达到所需姿态，其中，通过所述自差缓冲器使得一组中的两个所述丝杠螺母组件的伸缩情况一致；然后，进入步骤S6；

S5：将两个所述丝杠螺母组件伸出至极限位置，进而完成对接环姿态的强制校正；然后，进入步骤S6；

S6：拉近主动对接装置和被动对接装置，实现精准对位；

S7：完成刚性连接和密封；

其中，缓冲模式下的所述主缓冲器和自差缓冲器的驱动能力大于捕获模式下的所述主缓冲器和自差缓冲器的驱动能力。

可选的，每组所述缓冲机构还包括主离合器和辅缓冲离合器；仅当所述主离合器未打滑时，所述主缓冲器驱动丝杠螺母组件伸缩，仅当所述辅缓冲离合器未打滑，所述自差缓冲器驱动丝杠螺母组件进行伸缩调整；在缓冲模式下的所述主离合器和辅缓冲离合器的离合力矩小于捕获模式下的所述主离合器和辅缓冲离合器的离合力矩。

本发明所提供的对接系统与方法，通过分组控制和自差缓冲器的引入，既不需要力传感器参与控制，还能够在控制装置中避免Stwart平台正解运算及实时反馈控制。

利用本发明，不但有效的缓冲对接过程中碰撞载荷，还可以通过在轨改变离合器的离合力矩及电机的运转速率等进一步可选手段实现与不同对接质量目标的对接与分离，并还可以实现与现有载人航天器之间的对接。且其构型简单、工作可靠、质量轻，并具有经济性和通用性。在专利ZL201210489374.5中，公开了一种异体同构、刚度阻尼闭环反馈控制的对接系统，它采用可逆向传动的直线驱动机构，按照预置的控制规律通过6根直线驱动装置的电机来实现缓冲阻尼力。该系统不需要高精度的力传感器参与，降低了系统复杂度，但该系统需要进行Stwart平台正解运算，运算量大，6根直线驱动装置独立驱动还存在着捕获角度偏小等缺点。

附图说明

图1是本发明一可选实施例中主动对接装置的示意图；

图2是本发明一可选实施例中被动对接装置的示意图；

图3是本发明一可选实施例中缓冲机构的作用示意图；

图4是本发明一可选实施例中丝杠螺母组件的示意图；

图5是本发明一可选实施例中主动对接装置的坐标系示意图；

图6是本发明一可选实施例中在某控制率下自差缓冲电机恒速时转角-扭矩特性曲线；

图7是本发明一可选实施例中在某控制率下对接环Y相等效性能曲线示意图；

图中：100－主动对接装置、101－主动对接环、102－缓冲机构、103－捕获锁、104－对接框体、105－对接锁系、200－被动对接装置；201－被动对接环；202－卡板器；301－主缓冲电机；302－自差缓冲电机；303－丝杠螺母组件；304－联系齿轮；305－齿轮；306－齿轮；307－螺母；308－丝杠；309－锥齿轮；310－锥齿轮；311－锥齿轮；312－锥齿轮；313－主缓冲轴；314－转动框架；315－结构框架；316－螺母框架。

图8是本发明另一可选实施例中缓冲机构的作用示意图；

图9是本发明另一可选实施例中主缓冲电机和主离合器的行星减速传动原理图；

图10是本发明另一可选实施例中卷簧机构的载荷特性曲线；

图11是本发明另一可选实施例中主动对接环Y向等效性能曲线示意图；

图12是本发明另一可选实施例中主动对接环俯仰方向等效性能曲线示意图；

图中：401－主缓冲器；402－自差缓冲器；403－丝杠螺母组件；404－主缓冲轴；405－主离合器；406－主缓冲电机；407－杆位移传感器；408－联系齿轮；409－卷簧机构；410－辅缓冲离合器；412－杆自差传感器；413－齿轮；414－齿轮；415－螺母；416－螺母；417－丝杠；418－丝杠；419－过渡齿轮；420－齿轮；421－锥齿轮；422－锥齿轮；423-行星传动机构。

具体实施方式

以下将结合图1至图12对本发明提供的航天器对接系统及方法进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

实施例1

请参考图1至图7，本发明提供了航天器对接系统，包括主动对接装置100和被动对接装置200，被动对接装置200安装在目标航天器上，被动对接装置200的构成在主动对接装置的基础上简化，保留对接环、刚性连接装置和控制设备等。

所述主动对接装置100包括主动对接环和对接框体，所述主动对接装置还包括若干捕获锁103、对接锁系105、对接框体104；所述被动对接机构200还包括被动对接环201、卡板器202等。

其中，所述主动对接环101有若干个瓣状结构，捕获锁103安装在主动对接环101的每个瓣状结构上，捕获锁103与对面的被动对接机构200相应的卡板器202相互啮合实现捕获，也可以采用电磁捕获机构。

本发明中，所述主动对接装置100还包括三组缓冲机构，每组所述缓冲机构102包括一个主缓冲器、两个丝杠螺母组件303和一个自差缓冲器，所述丝杠螺母组件303的上下两端分别活动连接于所述主动对接环101和对接框体104；

每组中的两个所述丝杠螺母组件303同时被一个所述主缓冲器驱动伸缩，两个所述丝杠螺母组件303之间还通过所述自差缓冲器互相连接，进而通过所述自差缓冲器实现两个所述丝杠螺母组件303相对的伸缩调整。

在本发明可选的实施例中，主动对接环101的瓣状结构、捕获锁103、缓冲机构102和卡板器202均为3个，也可以选择4个或更多。在专利ZL201210489374.5中，已对主动对接环、电磁捕获机构、对接锁系等有所描述，故而此处不做展开阐述，可以参照该专利进行理解。

在本发明优选的实施例中，请着重参考图1，六个所述丝杠螺母组件303的下端沿所述对接框体104的均匀分布，所述丝杠螺母组件303通过所述自差缓冲器连接所述主动对接环101，三个所述自差缓冲器沿所述主动对接环101的周向均匀分布。

主缓冲电机301和丝杠螺母组件303通过支撑结构安装于对接框体104内部法兰上，自差缓冲电机302通过支撑结构安装于对接环101上。这样，对接环101与对接框体104之间通过6根丝杠318实现结构的连接，构成一个6自由度的Stewart平台。

有关所述主缓冲器：

本发明可选的实施例中，所述主缓冲器包括主缓冲电机301和主缓冲传动组件，每组中的两个所述丝杠螺母组件303通过所述主缓冲传动组件被对应的一个所述主缓冲电机301驱动。所述主缓冲传动组件主要包括一主缓冲轴313；进一步可选方案中，主缓冲电机301的转子输出轴与主缓冲轴313同轴且直连传动，可选的，为提高可靠性和缓冲能力，主缓冲电机301也可以采用多个串联使用。

所述主缓冲器还包括角度编码器，所述角度编码器被配置能够检测所述主缓冲传动组件或主缓冲电机301输出的旋转运动的角度。角度编码器可用于测量主缓冲轴313旋转角度大小。可以采用独立的角度测量传感器，通过设置传动环节将主缓冲轴313转动传递给角度测量传感器。在满足测量精度的前提下，所选的角度测量传感器包括但不限于角度编码器、旋变、电位计等。

除此以外，所述的主缓冲电机301在不加电的情况下，应具有抱闸锁定功能，可以实现对接环101在收回状态下的保持功能。其他可选方案中，在主缓冲电机301不具有锁定功能时，也可在主缓冲轴313上设置一个抱闸装置，该抱闸装置可采用常用的机构实现形式，在主缓冲电机301加电后，该抱闸装置解锁主缓冲轴313的转动自由度。

有关所述自差缓冲器：

本发明可选的实施例中，所述自差缓冲器包括两个齿轮305、306和一个联系齿轮304，每个齿轮305或306与一个所述丝杠螺母组件303连接，两个所述齿轮传动于同一所述联系齿轮304，所述联系齿轮304还能被一自差驱动结构控制。

进一步可选的方案中，所述自差驱动结构包括自差缓冲电机，和/或弹簧结构，和/或阻尼器，和/或离合器。所述自差驱动结构通过加速或减速装置与所述联系齿轮连接。

在采用自差缓冲电机的情况下，自差缓冲电机302与联系齿轮304连接，齿轮304分别与齿轮305和306啮合传动，三者可同步转动。在本实施例中，自差缓冲电机302与联系齿轮304相连。可选的，自差缓冲电机302也可以与齿轮305或齿轮306相连，也可以在电机302与齿轮305或齿轮306之间增加加速或减速装置，也可以选择多个电机与上述齿轮相连。通过自差缓冲电机302，可以依据所需相对调整的伸缩量控制联系齿轮304进行相应的旋转。

所述自差缓冲电机302内部包括角度编码器，可用于测量联系齿轮304旋转角度大小。可选的，可以采用独立的角度测量传感器，通过设置传动环节将主缓冲轴313或联系齿轮304的转动传递给角度测量传感器。在满足测量精度的前提下，所选的角度测量传感器包括但不限于角度编码器、旋变、电位计等。

自差缓冲电机302用于实现同一组丝杠的自差缓冲及校正，与对接环101的推出、拉回等动作无关。因此，自差缓冲电机也可以采用弹簧机构、阻尼器组合或之一来代替。当仅采用阻尼机构代替电机时，同一组丝杠的长度不能自动实现等长校正，需要采用主缓冲电机301将主动对接环101推出到极限位置，强制使6根丝杠等长从而校正对接环。阻尼器和离合器等也可列举，但不限于电磁离合机构、磁流变阻尼器、磁滞离合器或机电控制型装置等。

综合以上提到的旋转编码器来看，可以认为：本发明可选的实施例中，每组所述缓冲机构还包括检测所述丝杠螺母组件伸缩位移的杆位移传感器，和/或检测同组中两个丝杠螺母组件伸缩位移差值的杆自差传感器，所述主缓冲器和自差缓冲器被依据所述杆位移传感器和/或杆自差传感器检测反馈的数据进行控制，进而满足对接过程中的运动需求。

而在前文提到的实施方式中，由于所述主缓冲器通过旋转运动实现所述丝杠螺母组件的伸缩驱动，所述自差缓冲器通过旋转运动实现两个所述丝杠螺母组件相对的伸缩调整；所述杆位移传感器和/或杆自差传感器采用旋转编码器。

有关所述丝杠螺母组件303：

所述丝杠螺母组件包括丝杆308、螺母307和传动齿轮组，所述螺母307可选为带齿轮的螺母，其通过所述传动齿轮组被所述主缓冲器驱动旋转，所述丝杠308与所述螺母307匹配，进而通过所述螺母307的旋转实现伸缩，所述丝杠308连接所述主动对接环101，且同一组中的两个丝杠308通过所述自差缓冲器实现相对的伸缩调整。本发明可选的实施例中，丝杠308和螺母307采用传统的滚珠丝杠类型。螺母308旋转时，带动丝杠307实现沿螺母308作直线伸缩运动。

通过合理设计丝杠307的导程，丝杠307和螺母308具有很好的运动流畅性，可以实现正向传动和逆向传动。即，可以通过螺母308的转动将运动输出带动丝杠307的伸缩，也可以对丝杠307仅施加轴向运动，反向带动螺母308转动，从而实现丝杠307相对螺母308之间的收缩。

同一组的2根丝杠分别采用左旋丝杠和右旋丝杠，这样，主缓冲轴313转动时，经过传动齿轮带动同一组丝杠307同向伸出或回缩运动。当然，同一组丝杠307也可采用相同旋向，此时需要调整齿轮传动关系实现两根丝杠的同向伸缩。

螺母308经过锥齿轮309～312传动后与主缓冲轴313相连接，通过对锥齿轮309～312在结构布局的设计，可以实现丝杠螺母组件303绕底部支点作二维转动，图4为一种具体结构布局实施例，在图4中，结构框架315固定于对接框体104上，转动框架314通过转轴与结构框架315相连，可实现一维转动，在框架314转轴一端固定了锥齿轮311，在框架314的另一侧与螺母框架316、齿轮309通过同一转轴连接，三者之间可相对转动。锥齿轮309与螺母308通过锥齿形式进行传动。

丝杠308的上部采用万向节分别与齿轮305、306相连，丝杠308与齿轮305或306可同步转动。这样，丝杠307与对接环101之间具有3个转动自由度。锥齿轮312与主缓冲轴313之间采用万向节相连，该些万向节是用于各传动轴之间不同轴传动，当然，在能够保证传动轴之间同轴的情况下，也可以选择联轴器等方式传动。此外，在丝杠307的上端部可以增加一个弹性环节，如采用预紧的压缩弹簧，用于缓冲较大丝杠轴向冲击载荷。

缓冲机构102形成了一个闭合传动链，这样，对接环101与对接框体104之间通过6根丝杠307实现结构的连接，构成一个6自由度的Stewart平台。

所述的航天器对接系统还包括控制装置，所述控制装置根据所检测到的所述丝杠螺母组件303的伸缩状态对所述主缓冲器和自差缓冲器进行控制，以满足对接过程的运动需求。进一步来说，所述主缓冲器通过旋转运动实现所述丝杠螺母组件303的伸缩驱动，所述自差缓冲器通过旋转运动实现两个所述丝杠螺母组件相对的伸缩调整；

所述控制装置依据自所述主缓冲器和自差缓冲器处采集而来的与所述丝杠螺母组件303的伸缩有关的旋转角度数据，对所述主缓冲器和自差缓冲器进行控制，以满足对接过程的运动需求。

对控制装置工作原理进行描述。

控制装置与主缓冲电机301和自差缓冲电机302相连，根据使用需求，控制装置106可以安装在对接框体104上或飞船舱体内部。

在对接前，控制装置控制主缓冲电机301和自差缓冲电机302产生一定的保持力矩。所述两航天器的对接环在初始条件下发生机械接触后，控制装置106驱动主缓冲电机301将主动对接环101向前伸出，追踪航天器的主动对接环101上受到对接力作用，并通过丝杠、齿轮传动作用于主缓冲电机301和自差缓冲电机302上。在对接力作用下，所述主缓冲电机301运动会出现减速或加速现象。控制装置通过调整工作电流控制主缓冲电机301的最大输出力矩为预先指定值。当对接力作用到主缓冲电机301上的阻力矩超过最大输出力矩时，该主缓冲电机301会出现堵转或反向转动(即对接力作用于电机301上，使电机从正向转动输出达到反向转动)。当对接力作用于主缓冲电机301的力矩与主缓冲电机301输出动力方向相同时，该主缓冲电机301会出现加速转动现象。控制装置预先指定了主缓冲电机301的最大转速限值，当主缓冲电机301接近转速限值时，控制装置106通过减小电流或电流反向等实现主缓冲电机301的减速。所述的主动对接环101被动的产生位置和姿态偏差。在对接力作用下，同一组丝杠307产生长度差，带动联系齿轮304克服所述的自差缓冲电机302的保持力矩发生转动。当联系齿轮304出现转角时，控制装置实时调整自差缓冲电机302的转矩及方向，当然，当自差缓冲电机采用弹簧结构、阻尼器等代替时，也可不由控制装置控制，而自行进行调整。当控制装置判断两航天器对接环贴合并实现捕获后，控制装置改变主缓冲电机301和自差缓冲电机302控制率，控制装置106通过采集主缓冲电机301和自差缓冲电机302角度编码器的信号，计算出各自转角值，根据该些值，控制装置按照预定的控制规律控制主缓冲电机301和自差缓冲电机302将丝杠运动到预先指定的长度位置，以此来实现对接环的缓冲和校正。

本发明还提供了一种航天器对接方法，采用了本发明可选方案提供的航天器对接系统，包括如下步骤：

S1：所述主缓冲器和/或自差缓冲器被调整为捕获模式，通过三个所述主缓冲器驱动六个所述丝杠螺母组件303伸出，从而将所述主动对接环101推出；

结合到前文提到的系统，可以进一步描述为：

所述控制装置对所述主缓冲电机301供电，使其实现主缓冲电机301与丝杠308之间的传动，将主动对接环101推出至对接位置，然后将所述主缓冲电机301控制率调整为捕获模式，等待对接；

换个角度描述，可以理解为：主动对接环101解除锁定状态，从收拢状态推出到准备对接位置，控制装置通过对电机供电，根据对接环预定位置，控制装置驱动电机驱动装置将丝杠推出；对接环运动到位后停止动作，此时，根据对接目标特性，控制装置将电机控制率调整为捕获模式(一般情况，该模式下最大输出力矩较小)，等待对接；

S2：所述主动对接环与被动对接装置接触后，所述主动对接环在相互作用力下发生偏转，依据所述主缓冲器和/或自差缓冲器采集而来的所述丝杠螺母组件的伸缩数据，通过所述主缓冲器和/或自差缓冲器驱动所述丝杠螺母组件进行伸出，以实现相应的导向和对准；

结合到前文提到的结构，可以进一步理解为：

追踪航天器运动到对接捕获初始条件范围内，主动对接装置与被动对接装置相互接触，所述主对接环在相互作用力下发生偏转，所述控制装置依据电机角度编码器信号，通过所述电机控制相应丝杠的伸缩，从而将所述主动对接环做相应动作，以实现导向和对准；

也可以描述为：追踪航天器运动到对接捕获初始条件范围内，进入对接装置的导向对准阶段，两个航天器导向板相互接触，在相互作用力下，主动对接装置的对接环发生偏转。当检测到丝杠长度变化时，控制系统对电机驱动装置供电，通过主缓冲电机将对接环推出，由此实现导向并对准；

S3：所述主动对接环与被动对接装置的被动对接环之间通过其上的捕获装置实现柔性连接；完成柔性连接后，所述主缓冲器和/或自差缓冲器调整为缓冲模式，捕获传感装置被触发，进入步骤S4或S5；

进一步来说，所述主动对接环和被动对接环通过其上的捕获装置实现柔性连接，完成捕获；所述控制系统获得捕获完成的信号，然后将所述电机的控制率调整为缓冲模式；

以上两个步骤也可描述为：对接装置的捕获是相互靠近的两对接装置通过机械式捕获(如神舟飞船对接机构捕获方式)或电磁捕获，实现柔性连接，之后对接环上的捕获传感装置触发，并给出捕获信号；

S4：依据所述主缓冲器和/或自差缓冲器采集而来的所述丝杠螺母组件的伸缩数据，通过所述主缓冲器和/或自差缓冲器控制所述丝杠螺母组件的伸缩情况，使其达到所需姿态，其中，通过所述自差缓冲器使得一组中的两个所述丝杠螺母组件的伸缩情况一致；然后，进入步骤S6；

S5：将两个所述丝杠螺母组件伸出至极限位置，进而完成对接环姿态的强制校正；然后，进入步骤S6；

结合前文提到的装置，进一步来说：

所述控制系统通过依据检测得到的主缓冲电机301和自差缓冲电机302角度编码器信号变化，通过所述电机实现丝杠的伸缩，以达到所需姿态；也可以将丝杠均推出到极限位置，实现对接环姿态的强制校正；

进一步来说，可描述为：当检测到捕获信号后，控制系统将电机控制率调整为缓冲模式(该模式下电机输出力矩较大)，同时，控制系统根据采集到的该些角度编码器信号，驱动每组丝杠向预定位置运动。在这个过程中，可能会出现电机运动加速、减速、堵转、逆向转动等工作状态。通过对接环提供的反力，两航天器之间相对运动能量和剩余的相对运动被吸收和消耗；最后，当每个丝杠运动到具有相同长度时，该缓冲过程结束，并实现了对接环姿态的校正。

S6：拉近主动对接装置和被动对接装置，实现精准对位；具体来说，拉近所述追踪航天器和目标航天器，实现精准定位；进一步来说，追踪航天器的主动对接装置将两飞行器拉近，通过对接框体上表面的导向销套实现精确对准；

S7：完成刚性连接和密封；进一步来说，当两飞行器的对接框体处于接近位置时，对接锁系工作，完成刚性连接，为两对接面提供刚性连接力和密封力，实现对接通道的密封。

其中，缓冲模式下的所述主缓冲器和自差缓冲器的驱动能力大于捕获模式下的所述主缓冲器和自差缓冲器的驱动能力。

图5为主动对接机构的坐标系示意图。在图5中，B₁～B₆为Stewart平台下支点，即丝杠307相对对接框体104的转动中心点，b₁～b₆为Stewart平台上支点，即丝杠307相对主动对接环101的转动中心点。L₁～L₆为6根丝杠的上、下支点之间的距离。

在图5中，O_u为丝杠上支点b₁～b₆所在圆圆心，与对接环101固连。O_d为丝杠下支点B₁～B₆所在圆圆心。从坐标系O_u-X_uY_uZ_u到坐标系O_d-X_dY_dZ_d的变换可由欧拉变换Euler(φ，ψ，θ)给出，其中，ψ为偏航角(绕Y轴)；θ为俯仰角(绕Z轴)；为滚转角(绕X轴)。

根据传动原理图，可得3个主缓冲电机301(即主缓冲轴313)的转角与丝杠长度L₁～L₆变化之间的线性变换关系如下：

[θ_m1 θ_m2 θ_m3]^T＝S ₁δL

其中，

${\underset{\‾}{S}}_1=\frac{{\mathrm{\πI}}_r}{t_0}{\underset{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_1,{\underset{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_1=\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1\end{array}\right]$

δL＝[δL₁ δL₂ δL₃ δL₄ δL₅ δL₆]^T

θ_m1、θ_m2、θ_m3——3个主缓冲电机301(主缓冲轴313)的转角，该些转角值可通过主缓冲电机301角度编码器测量得出；

δL_i(i＝1,2,3,...,6)——丝杠的长度变化量；

I_r——主缓冲电机301到螺母308的转动传动比；

t₀——丝杠307的导程。

同理，可得自差缓冲电机302转角与丝杠长度L₁～L₆变化之间的线性变换关系如下：

[θ_s1 θ_s2 θ_s3]^T＝S ₂δL

式中，

${\underset{\‾}{S}}_2=\frac{{\mathrm{\πI}}_p}{t_0}{\underset{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_2,{\underset{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_2=\left[\begin{array}{cccccc}1& -1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& -1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& -1\end{array}\right]$

θ_s1,θ_s2,θ_s3——3个自差缓冲电机302的转角，该些转角值可通过自差缓冲电机302角度编码器测量得出；

I_p——自差缓冲电机302到齿轮313的传动比；

由上述公式，可得出主缓冲电机301、自差缓冲电机302与对接环六个自由度运动的关系如下：

${\left[\begin{array}{cccccc}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{m1}& {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{m2}& {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{m3}& {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}& {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}& {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s3}\end{array}\right]}^T=\underset{\‾}{S}\underset{\‾}{J}\underset{\‾}{\stackrel{\·}{q}}$

其中， J——主动对接环101的六个自由度运动q与丝杠长度L变化之间的速度雅克比矩阵。

定义主缓冲电机扭矩M＝[M_m1,M_m2,M_m3,M_s1,M_s2,M_s3]^T，其中，M_m1,M_m2,M_m3是主缓冲电机301的驱动扭矩；M_s1,M_s2,M_s3为自差缓冲电机302的驱动扭矩。定义F为对接环101上的6个自由度力，该力称为对接环等效力。对接机构对接环101在准备对接位置处，在某个自由度方向上对对接环101施加某一恒定运动速度时所表现出的对接环力/力矩与位移的关系，称为该方向上的对接环等效性能。

根据力雅克比矩阵，可得出电机扭矩M与对接环101等效力F的关系如下：

M＝J_F F

其中，J_F为对接环等效力与电机扭矩之间的力雅克比矩阵，该矩阵可从相应的速度雅克比矩阵推导出来。

当电机扭矩M确定后，则对接环的等效力就可以根据上述公式进行解算。同理，也可以根据对接环的等效力，求解出各电机扭矩M需求。

控制系统106预先设置了所述电机的控制率。主缓冲电机301和自差缓冲电机302的控制率可以表示为：

$M_{mj}=K_{mi}{\mathrm{\θ}}_{mj}\left(t\right)+C_{mi}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{mj}\left(t\right)+m_{mi},(i=1,2;j=1,2,3)$

$M_{sj}=K_{si}{\mathrm{\θ}}_{sj}\left(t\right)+C_{si}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{sj}\left(t\right)+m_{si},(i=1,2;j=1,2,3)$

其中，i表示任务阶段，此处设为2个，分别为捕获和缓冲校正阶段；M_mj表示第j个主缓冲电机301所需要驱动扭矩；M_sj表示第j个自差缓冲电机302所需要驱动扭矩；θ_mj(t)、表示第j个主缓冲电机301的转角和角速度；θ_sj(t)、表示第j个自差缓冲电机302的转角和角速度；K_mi、C_mi表示主缓冲电机301第i个任务阶段的弹性系数及阻尼系数；K_si和C_si分别表示自差缓冲电机302第i个任务阶段的弹性系数及阻尼系数；m_mi为主缓冲电机301第i个任务阶段的函数常数项；m_si为自差缓冲电机302第i个任务阶段的函数常数项。

可选的，上述的主缓冲电机301和自差缓冲电机302的控制率函数可以设置为分段函数，针对不同的转角和角速度大小，设置不同的系数及常数项数值。以自差缓冲电机302为例说明，在恒定的角速度下，在所述控制率下，自差缓冲电机302的转角-扭矩一般具有图6所示曲线形式。

可选的，为实现更好的对接成功率，也可以将对接过程分为多个任务阶段，分别设置控制率参数。

根据力雅克比矩阵J_F，可从电机扭矩M求解得出对接环101等效力F，通过合理设置电机控制率，可以获得所需的对接环等效力F。根据本专利对接机构的传动特点，自差缓冲电机扭矩M_s1,M_s2,M_s3主要决定了对接环101滚转角度和横向位移的等效性能。主缓冲电机扭矩M_m1,M_m2,M_m3主要决定了对接环101的轴向和偏转方向的等效性能。

本实施例中，主缓冲电机301和自差缓冲电机302均为图6所示的转角-扭矩特性曲线时，对接环101在6个方向上等效性能应具有与之类似特性，以对接环101的Y方向等效性能为例说明，对接环101的Y向等效性能曲线一般为图7形式，该特性曲线为一个回滞曲线。

控制系统106采集电机角度编码器信号，经过解算得出该电机的转角和转速，按照所述的电机控制率对电机实时驱动控制。按照功率电机考虑，有如下关系表达式：

V_mi＝V(M_mi,n_mi)＝M_miη₁+k₁n_mi (i＝1，2，3)

V_si＝V(M_si,n_si)＝M_siη₂+k₂n_si (i＝1，2，3)

式中，i表示电机编号；V_mi表示第i个主缓冲电机301的供电电压；V_si表示第i个自差缓冲电机302的供电电压；η₁、η₂为主缓冲电机301和自差缓冲电机302的传递系数；n_mi表示第i个主缓冲电机301的转速；n_si表示第i个自差缓冲电机302的转速。

下面对本发明的缓冲阻尼半主动控制的工作原理进行描述。

在准备对接时，主动对接环101处于伸出状态。控制系统106按照预定程序对主缓冲电机301和自差缓冲电机302供电。控制系统106对主缓冲电机301和自差缓冲电机302的控制设定为捕获模式。

当两个对接机构对接过程中，发生机械接触时，主动对接机构的主动对接环101受到对接力作用，并作用于6根丝杠上，丝杠通过传动链将载荷传递到主缓冲电机301和自差缓冲电机302上。

当对接力超出了电机保持力矩后，所述的丝杠会出现伸出或回缩动作，对应的主缓冲电机301和自差缓冲电机302会发生转动。应该指出的是，此时主缓冲电机301和自差缓冲电机302具有一定力矩保持能力。

控制系统106采集主缓冲电机301和自差缓冲电机302的角度编码器信号，根据该些信息，控制系统106判断两对接机构的对接环是否接触。当判断为接触后，控制系统106按照预定的控制率对每个电机进行控制，一般为伺服控制。

较佳的，在对接环接触后，控制系统106按照以设定电压对主缓冲电机301供电，将对接环101向前推出，同时，对主缓冲电机301的最大转速进行限定。在推出过程中，每组丝杠的伸出速度均值与其受到的阻力成反比，当同一组丝杠受到阻力时，它将减缓伸出速度，反之，在驱动力作用下则会加速伸出。由此，主动对接机构的主动对接环101被动的产生位置和姿态偏差，适应两对接机构的相对偏差。

当控制系统106判断两航天器对接环贴合并实现捕获后，控制系统106对主缓冲电机301和自差缓冲电机302控制模式从捕获模式调整为缓冲模式。控制系统106提高主缓冲电机301和自差缓冲电机302的供电电压，以此来提高电机的驱动能力，从而达到增加对接环缓冲能力的目的。

在缓冲阶段，对接机构消耗相对运动能量，并校正对接环101的位置和姿态偏差，在缓冲结束后，6根丝杠的长度L_s(s表示每个丝杠的编号)应等长，设定对接环101校正后丝杠长度为L_u。控制系统106根据该些主缓冲电机301和自差缓冲电机302的角度编码器信号，按照缓冲模式预定的控制率对电机进行控制，使两航天器之间相对运动停止并校正，即6根丝杠的长度和是相等的。

应该指出的是，对接环101校正后的丝杠长度L_u既可以为预先指定(如地面预置或飞控注入)，也可以是控制系统106根据缓冲执行情况按照规定程序选定。

应该说明的是，根据控制率的不同，主动对接机构对接环101的姿态出现反复震荡次数也会有所差异。

下面对控制系统106的控制与调整原则进行说明。

为保证对接捕获过程中两飞行器的主动对接环101与被动对接环201相互接近，这要求对接装置100的对接环101需要自动适应初始偏差，在适应偏差过程中尽量减少能量消耗和减小对接力，这要求对接装置100的缓冲系统刚度阻尼小，即对接环101的等效力要小。这样，捕获阶段的缓冲系统具有“软”的特性，还能够主动适应偏差。当捕获信号给出后，在主动对接环101规定的运动行程内，缓冲系统需要具有足够的阻尼来缓冲相对运动，将主动对接环101的等效力设置为较大的水平，此时缓冲系统具有与捕获阶段不同的相对“硬”的特性。这些特性都可以通过控制系统106调整工作模式来实现。

另外，在对接操作中，对接飞行器的特性参数(如质量特性、对接初始条件)不同，会对对接机构缓冲阻尼特性的要求也会存在差异。在主动对接装置100的实例中，控制系统106参数具有可配置的功能，仅需简单参数注入即可实现缓冲阻尼特性的调整。因此，通过参数配置来确保主动对接装置100可以适应特定的飞行器特性(如质量、质心偏移，飞行器的对接接近速度和角速度)。因此，本发明的对接装置具备很宽对接适应性和对接能力。

下面对本发明实施例1所涉及的对接机构工作状态和过程进行描述。

首先，主动对接机构的主动对接环100从收拢状态推出到准备对接位置(即伸出状态)。主动对接机构的主动对接环100解除锁定状态(该锁定用于克服航天器发射载荷环境)，控制系统106对主缓冲电机301和自差缓冲电机302加电，根据对接环101预定位置，控制系统驱动主缓冲电机301将对接环101推出，到位后，将电机的控制率调整为捕获模式。

第二，追踪航天器运动到对接捕获初始条件范围内。对接捕获初始条件是预先定义的一个围绕对接装置的区域。

第三，对接装置100的导向对准阶段。两个航天器对接环相互接触，在相互作用力下，主动对接装置100的主动对接环101偏转，此时，主动对接装置100的控制系统106按照预定的捕获工作模式对电机进行控制。此时对接装置100的缓冲系统具有“软”特性。由此，实现对接的导向及对准。

第四，主动对接装置100的捕获。主要是相互靠近的主动对接装置100与被动对接装置200通过机械捕获锁103和卡板器202锁合到一起(或采用电磁铁吸合方式实现)，实现柔性连接。之后对接环101上的捕获传感装置触发，并给出捕获信号。

第五，缓冲阶段，两航天器之间相对运动能量和剩余的相对运动通过主动对接环101提供的反力进行吸收和消耗。此时，主动对接装置100的控制系统106控制主缓冲电机301和自差缓冲电机302进入缓冲工作模式。此时对接装置100的缓冲系统具有“硬”特性。

第六，拉近阶段，追踪航天器的主动对接装置100将两飞行器拉近，通过对接框体104上表面的导向销套实现精确对准。

最后阶段是刚性连接阶段，当两飞行器的对接框体104处于接近位置时，对接锁系105工作，完成刚性连接，为两对接面提供刚性连接力和密封力，实现对接通道的密封。这部分的工作原理与神舟八号载人飞船对接机构是相同的。

实施例2

请参考图8至图12，本实施例与实施例1的区别主要在于：

每组所述缓冲机构还包括主离合器；仅当所述主离合器未打滑时，所述主缓冲器驱动丝杠螺母组件伸缩，所述主离合器在完成捕获动作前被配置的离合力矩小于其在捕获完成后被配置的离合力矩，所述主离合器在超出离合力矩的情况下，发生打滑。

每组所述缓冲机构还包括辅缓冲离合器；仅当所述辅缓冲离合器打滑时，所述自差缓冲器驱动丝杠螺母组件进行伸缩调整，所述辅缓冲离合器在完成捕获动作前被配置的离合力矩小于其在捕获完成后被配置的离合力矩，所述辅缓冲离合器在超出离合力矩的情况下，发生打滑。

有关所述主缓冲器：

本发明实施例2下可选的实施例中，所述主缓冲器401包括主缓冲电机406和主缓冲传动组件，每组中的两个所述丝杠螺母组件403通过所述主缓冲传动组件被对应的一个所述主缓冲电机406驱动。其与实施例1相类似，区别主要在于：所述主缓冲电机406与主缓冲传动组件，或者所述主缓冲传动组件与丝杠螺母组件403之间，或者所述主缓冲传动组件中传动有所述主离合器405。

所述主缓冲传动组件主要包括一主缓冲轴404；进一步可选方案中，主缓冲电机406的转子输出轴与主缓冲轴404同轴且直连传动，可选的，为提高可靠性和缓冲能力，主缓冲电机406也可以采用多个串联使用。

本实施例的主缓冲电机406通过主离合器405与主缓冲轴404实现运动传动与动力传递。主离合器405的打滑力矩可根据要求进行实时调整。主缓冲电机406既可以为电机，也可以为电机与减速器构成的组合装置。主缓冲电机406设置有制动抱闸装置或具有转角保持功能，较佳的，在控制装置的控制下实现主缓冲电机406的保持功能。

主缓冲电机406的抱闸力矩或保持力矩应大于主离合器405的最大打滑力矩。当主离合器405不打滑时，主缓冲电机406输出动力经过主离合器405带动主缓冲轴404同步转动。在主缓冲轴404上施加扭矩时，该扭矩会通过传动链作用于主离合器405和主缓冲电机406上，当传递到主离合器405的扭矩超过主离合器405打滑力矩时，主离合器405开始打滑。

主缓冲电机406与主离合器405的传动采用了“串联”形式，可选的，主缓冲电机306与主离合器305也可以采用“并联“形式传动，图9为一种“并联”传动形式的实施例。该实施例通过行星传动机构423实现了主缓冲电机406、主离合器405和主缓冲轴404之间的差速传动。

可选的，主离合器405与主缓冲轴404之间还可以增加一个弹性装置，一般为具有一定的预紧力矩的蜗卷弹簧，可起到保护传动链的作用。也可以在丝杠417(418)的上端部增加预紧的压缩弹簧，用于缓冲较大丝杠轴向冲击载荷。

每组所述缓冲机构102还包括检测所述丝杠螺母组件403伸缩位移的杆位移传感器407，所述主缓冲器401被依据所述杆位移传感器407检测反馈的数据进行控制，进而满足对接过程中的运动需求。杆位移传感器407可以用于测量主缓冲轴304的转动角度大小。在本实施例中，杆位移传感器407可以采用多种测量手段，例如但不限于角度编码器、旋变、电位计等。

有关所述自差缓冲器402：

所述自差缓冲器402包括两个齿轮413、414和一个联系齿轮408，其结构基本与实施例1相类似，主要区别在于，所述联系齿轮408与所述自差驱动结构之间还通过所述辅缓冲离合器410传动。

卷簧机构409和辅缓冲离合器410均与联系齿轮408相连，可同步传动。当然，卷簧机构409和辅缓冲离合器410用作为缓冲耗能元件，该些耗能元件也可以联系齿轮408、齿轮413或齿轮414相连，其功能是等效的，自差缓冲器402的缓冲耗能元件可以采用弹簧、离合器的组合方式，也可以采用弹簧、电机、电磁阻尼器、离合器等至少一个。

与实施例1相一致的，每组所述缓冲机构102还包括检测检测同组中两个丝杠螺母组件伸缩位移差值的杆自差传感器412。杆自差传感器312用于测量联系齿轮308的转动角度大小。在本发明可选的实施例中，杆自差传感器312可以采用多种测量手段，例如但不限于角度编码器、旋变、电位计等。

在本实施例与实施例1的区别还在于，自差缓冲器阻尼力矩M_s1,M_s2,M_s3由卷簧机构409和辅缓冲离合器410共同提供，用于主动对接环101滚转角度和横向位移的缓冲与校正。其中，卷簧机构409用于实现校正功能。当主动对接环101的位置和姿态变化会导致同组丝杠副中的两根丝杠长度不一致，此时，卷簧机构409贮存能量，从而起到缓冲作用；对接碰撞消失后，由于卷簧机构409释放能量，促使同组中两根丝杠的长度恢复一致，起到校正作用。该卷簧机构409在零位时应具有一定的预紧力矩。图10为该卷簧机构409典型的转角-力矩特性曲线，由于弹簧内部摩擦作用，在去程和回程的力矩存在一定差异。

主缓冲器阻尼力矩M_m1,M_m2,M_m3主要由主离合器405和主缓冲电机406提供，用于主动对接环101的轴向和偏转方向的缓冲与校正。

在本实施例中，所述的主离合器405和辅缓冲离合器410选择采用磁粉离合器，该离合器的打滑力矩M_Ci与其供电直流电压V_i有关。

在捕获阶段，控制装置按照捕获模式对主离合器405、辅缓冲离合器410和主缓冲电机406进行控制，主离合器405、辅缓冲离合器410的打滑力矩设定为第一档力矩。在缓冲阶段，控制装置按照捕获模式对主离合器405、辅缓冲离合器410和主缓冲电机406进行控制，主离合器405和辅缓冲离合器410的打滑力矩设定为第二档力矩。第二档力矩要大于第一档力矩。应该指出的是，打滑力矩的档位是指同一个离合器根据不同工作状态要求设定的不同打滑力矩要求，可以为一个定值，也可以为随时间或其他参数变化的变量。因此，即使在捕获模式下，主离合器405和辅缓冲离合器410的打滑力矩也不一定相同。

控制装置调整主离合器405和辅缓冲离合器410的供电电压V_i，从而改变离合器的打滑力矩，由此实现对对接环101等效性能的调整。

应该指出的是，可以采用其他类型的阻尼机构(如电磁离合机构、磁流变阻尼器、磁滞离合器或机电控制型装置等)代替磁粉离合器，根据类型的不同，该机构的阻力矩不仅与保持力矩有关，还会与滑差转速有一定的函数关系。

下面对本发明的缓冲阻尼半主动控制的工作原理进行描述。

在准备对接时，主动对接环101处于伸出状态。控制装置按照预定程序对主离合器405和辅缓冲离合器410供电。

当两个对接机构对接过程中，发生机械接触时，主动对接机构的主动对接环101受到对接力作用，并作用于丝杠417和418上，丝杠通过传动链将载荷传递到主缓冲器401和自差缓冲器402上。

当对接力超出了主缓冲器401的打滑力矩后，所述的丝杠会出现伸出或回缩动作，对应的主缓冲轴404会发生转动。应该指出的是，此时主缓冲电机406未供电，具有一定的自锁功能或角度保持功能；如果该主缓冲电机406不具备自锁功能(或自锁功能失效)，则对接力传递到主缓冲电机406上，使其出现反向转动，而主离合器405可能不会出现打滑，但并不影响丝杠的伸出或回缩动作。

根据传动原理，同一组丝杠的所受的轴向载荷差值将作用于自差缓冲器402上，当该载荷差值超出自差缓冲器402阻尼力矩(即卷簧机构409和辅缓冲离合器410的阻尼力矩之和)时，联系齿轮408发生转动。

控制装置采集杆位移传感器407和杆自差传感器412的信号，根据杆位移传感器407和杆自差传感器412的信息，控制装置判断两对接机构的对接环是否接触。当判断为接触后，控制装置对每个主缓冲电机406进行供电，控制同一组丝杠向前伸出。在推出过程中，每组丝杠的伸出速度均值与其受到的阻力成反比，当同一组丝杠受到阻力(此时为压入力)时，它将减缓伸出速度(或者说是“无负载”伸出速度)，反之，在驱动力作用下则会加速伸出。应该指出，此时同一组丝杠所受到阻力并不代表2根丝杠均为压入力，可能会出现的情况为：一根丝杠受到拉力，另一根丝杠受到压入力，但压入力大于拉力，其总和为压入力。但当拉出力或压入力超出主离合器405的打滑限定值时，主离合器405发生打滑。同时，同一组丝杠受载荷不一致，将迫使自差缓冲器402的联系齿轮408发生转动。由此，主动对接装置100的主动对接环101被动的产生位置和姿态偏差，适应两对接机构的相对偏差。

当控制装置判断两航天器对接环贴合并实现捕获后，控制装置将主离合器405、辅缓冲离合器410和主缓冲电机406的工作状态从捕获模式调整为缓冲模式。控制装置提高主离合器405和辅缓冲离合器410的供电电压，以此来提高主离合器405、辅缓冲离合器410的打滑力矩，从而达到增加对接环缓冲能力的目的。该打滑力矩的具体设计值与对接初始条件及航天器目标有关，可以通过地面预置或对接前飞控注入来实现。

在缓冲阶段，对接机构消耗相对运动能量，并校正主动对接环101的位置和姿态偏差，在缓冲结束后，6根丝杠的长度L_s(s表示每个丝杠的编号)应等长，设定主动对接环101校正后丝杠长度为L_u。控制装置根据该些杆位移传感器407的信号，控制主缓冲电机406，使3个杆位移传感器307达到预定值，即3组丝杠的长度和是相等的，均等于2L_u，此时，等式L₁+L₂＝L₃+L₄＝L₅+L₆＝2L_u成立。

与此同时，在对接碰撞力作用下对接环101存在位置和姿态变化，同一组丝杠417和418长度不一致，卷簧机构409贮存能量，从而起到缓冲作用，磁粉辅缓冲离合器410发生打滑，实现耗能。当同一组丝杠长度差减小时，联卷簧机构409释放能量，克服磁粉辅缓冲离合器410打滑力矩，促使同一组丝杠的长度恢复一致，起到校正作用。由此，通过主缓冲器401和自差缓冲器402来实现对接环101的缓冲和校正。应该指出的是，对接环101校正后的丝杠长度L_u既可以为预先指定(如地面预置或飞控注入)，也可以是控制装置根据缓冲执行情况按照规定程序选定。

控制装置根据杆位移传感器407信息，控制主缓冲电机406的转向。进一步，也可以根据杆位移传感器407信息对主缓冲电机406的转向及转速等进行闭环控制，根据控制规律的不同，主动对接机构对接环101的姿态出现反复震荡次数也会有所差异。

较佳的，为了能够保证同一组丝杠的长度恢复一致，缓冲状态下磁粉辅缓冲离合器410的打滑力矩应小于卷簧机构409的恢复力矩，这可以通过在缓冲阶段调整磁粉辅缓冲离合器410的打滑力矩来实现，也可以将L_u设定为丝杠的极限长度(即丝杠可伸出的最长长度)。

进一步，自差缓冲器402中的卷簧机构409和辅缓冲离合器410也可以采用电机来代替，以此来模拟阻尼性能。

在本实施例中，为简化控制，也可以在捕获和缓冲过程中锁定主缓冲电机406不转动，待两航天器之间相对运动停止后，由控制装置控制主缓冲电机406协调动作，将对接环101校正。

图11和图12为对接机构捕获缓冲阶段的对接环等效性能示意图。该些曲线是根据缓冲器阻尼力矩M与对接环101等效力F之间关系得出。

图11为对接环101在横向Y方向的等效性能示意图。该特性曲线为一个回滞曲线。当对接环从零位向Y正向运动到ε₁时，对接环克服丝杠、齿轮等机构内部间隙，当对接环的横向力达到f₁时，所有的结构间隙均已消除。同理，对接环101从横向位置ε₂返回时，运动到ε₃时，完成间隙的消除。在曲线中，曲线斜率主要与自差缓冲器402的卷簧机构409性能有关，去程与回程的载荷差值主要由辅缓冲离合器410及传动摩擦等引起。同理，对接环101在滚转方向和Z方向的等效性能曲线也是类似的。

图12为对接环101在俯仰方向的等效性能示意图。λ₁的大小与对接机构内部间隙及弹性相关。在曲线中，等效力M_z与主缓冲器401性能有关，考虑到对接环俯仰角θ变化不大，因此，其俯仰方向等效性能可按照恒值来处理，一般情况下M₁＝M₂。同理，对接环101在偏航方向和X方向的等效性能曲线也是类似的。

图11和图12为主缓冲电机406锁定情况下的对接环等效性能曲线。为了提高捕获概率和缓冲效率，控制装置不仅对主离合器405和410的打滑力矩参数根据工作阶段进行调节或切换，还需要对主缓冲电机406运动参数进行调节或切换，也可以根据航天器对接目标及对接初始条件通过地面预置或在轨注入方式进行改变，以此来调整缓冲阻尼性能。

下面对控制装置的控制与调整原则进行说明。

为保证对接捕获过程中两飞行器的主动对接环101与被动对接环201相互接近，这要求对接装置100的主动对接环101需要自动适应初始偏差，在适应偏差过程中尽量减少能量消耗和减小对接力，这要求对接装置100的缓冲系统刚度阻尼小，即主动对接环101的等效力要小。在捕获前，将主动对接环101的离合器打滑力矩设置为较小的水平，设置主动对接环101的推出速度与对接初始条件及目标相匹配，这样，捕获阶段的缓冲系统具有“软”的特性，还能够主动适应偏差。当捕获信号给出后，在主动对接环101规定的运动行程内，缓冲系统需要具有足够的阻尼来缓冲相对运动，将主动对接环101的离合器的打滑力矩设置为较大的水平，此时缓冲系统具有与捕获阶段不同的相对“硬”的特性。这些特性都可以通过控制装置调整工作模式来实现。

另外，在对接操作中，对接飞行器的特性参数(如质量特性、对接初始条件)不同，会对对接机构缓冲阻尼特性(即上述的离合器力矩等)的要求也会存在差异。在主动对接装置100的实例中，控制装置参数具有可配置的功能，仅需简单参数注入即可实现缓冲阻尼特性的调整。因此，通过参数配置来确保主动对接装置100可以适应特定的飞行器特性(如质量、质心偏移，飞行器的对接接近速度和角速度)。因此，本发明的对接装置具备很宽对接适应性和对接能力。

下面对本发明实施例2所涉及的对接机构工作状态和过程进行描述。

首先，主动对接机构的主动对接环100从收拢状态推出到准备对接位置(即伸出状态)。主动对接机构的主动对接环100解除锁定状态(该锁定用于克服航天器发射载荷环境)，控制驱动子系统对磁粉主离合器405、410加电(可按照捕获模式加电)，根据主动对接环101预定位置，控制装置驱动主缓冲电机406将主动对接环101推出。

第二，主动航天器运动到对接捕获初始条件范围内。对接捕获初始条件是预先定义的一个围绕对接装置的区域。

第三，主动对接装置100的导向对准阶段。两个航天器对接环相互接触，在相互作用力下，主动对接装置100的主动对接环101偏转，此时，主动对接装置100的控制装置控制磁粉主离合器405、410和主缓冲电机406进入捕获工作模式。此时对接装置100的缓冲系统具有“软”特性。由此，实现对接的导向及对准。

第四，主动对接装置100的捕获。主要是相互靠近的主动对接装置100与被动对接装置200通过机械捕获锁103和卡板器202锁合到一起(或采用电磁铁吸合方式实现)，实现柔性连接。之后主动对接环101上的捕获传感装置触发，并给出捕获信号。

第五，缓冲阶段，两航天器之间相对运动能量和剩余的相对运动通过主动对接环101提供的反力进行吸收和消耗。此时，主动对接装置100的控制装置控制磁粉主离合器和主缓冲电机406进入缓冲工作模式。此时对接装置100的缓冲系统具有“硬”特性。

第六，拉近阶段，主动航天器的主动对接装置100将两飞行器拉近，通过对接框体104上表面的导向销套实现精确对准。

最后阶段是刚性连接阶段，当两飞行器的对接框体104处于接近位置时，对接锁系105工作，完成刚性连接，为两对接面提供刚性连接力和密封力，实现对接通道的密封。这部分的工作原理与神舟八号载人飞船对接机构是相同的。

综上所述，本发明所提供的对接系统与方法，既不需要力传感器参与控制，还能够在控制系统中避免Stwart平台正解运算及实时反馈控制。

利用本发明，不但有效的缓冲对接过程中碰撞载荷，还可以通过在轨改变离合器的离合力矩及电机驱动装置的运转速率实现与不同对接质量目标的对接与分离，并还可以实现与现有载人航天器之间的对接。且其构型简单、工作可靠、质量轻，并具有经济性和通用性。

Claims (14)

1.一种航天器对接系统，包括主动对接装置和被动对接装置，所述主动对接装置包括主动对接环和对接框体，其特征在于：所述主动对接装置还包括三组缓冲机构，每组所述缓冲机构包括一个主缓冲器、两个丝杠螺母组件和一个自差缓冲器，所述丝杠螺母组件的上下两端分别活动连接于所述主动对接环和对接框体；

每组中的两个所述丝杠螺母组件同时被一个所述主缓冲器驱动伸缩，两个所述丝杠螺母组件之间还通过所述自差缓冲器互相连接，进而通过所述自差缓冲器实现两个所述丝杠螺母组件相对的伸缩调整。

2.如权利要求1所述的航天器对接系统，其特征在于：六个所述丝杠螺母组件的下端沿所述对接框体的均匀分布，所述丝杠螺母组件通过所述自差缓冲器连接所述主动对接环，三个所述自差缓冲器沿所述主动对接环的周向均匀分布。

3.如权利要求1所述的航天器对接系统，其特征在于：所述主缓冲器包括主缓冲电机和主缓冲传动组件，每组中的两个所述丝杠螺母组件通过所述主缓冲传动组件被对应的一个所述主缓冲电机驱动。

4.如权利要求1所述的航天器对接系统，其特征在于：所述自差缓冲器包括两个齿轮和一个联系齿轮，每个齿轮与一个所述丝杠螺母组件连接，两个所述齿轮传动于同一所述联系齿轮，所述联系齿轮还能被一自差驱动结构控制。

5.如权利要求4所述的航天器对接系统，其特征在于：所述自差驱动结构包括自差缓冲电机，和/或弹簧结构，和/或阻尼器，和/或离合器。

6.如权利要求4所述的航天器对接系统，其特征在于：所述自差驱动结构通过加速或减速装置与所述联系齿轮连接。

7.如权利要求1所述的航天器对接系统，其特征在于：每组所述缓冲机构还包括主离合器；仅当所述主离合器未打滑时，所述主缓冲器驱动丝杠螺母组件伸缩，所述主离合器在完成捕获动作前被配置的离合力矩小于其在捕获完成后被配置的离合力矩，所述主离合器在超出离合力矩的情况下，发生打滑。

8.如权利要求1所述的航天器对接系统，其特征在于：每组所述缓冲机构还包括辅缓冲离合器；仅当所述辅缓冲离合器打滑时，所述自差缓冲器驱动丝杠螺母组件进行伸缩调整，所述辅缓冲离合器在完成捕获动作前被配置的离合力矩小于其在捕获完成后被配置的离合力矩，所述辅缓冲离合器在超出离合力矩的情况下，发生打滑。

9.如权利要求1所述的航天器对接系统，其特征在于：每组所述缓冲机构还包括检测所述丝杠螺母组件伸缩位移的杆位移传感器，和/或检测同组中两个丝杠螺母组件伸缩位移差值的杆自差传感器，所述主缓冲器和自差缓冲器被依据所述杆位移传感器和/或杆自差传感器检测反馈的数据进行控制，进而满足对接过程中的运动需求。

10.如权利要求9所述的航天器对接系统，其特征在于：所述主缓冲器通过旋转运动实现所述丝杠螺母组件的伸缩驱动，所述自差缓冲器通过旋转运动实现两个所述丝杠螺母组件相对的伸缩调整；所述杆位移传感器和/或杆自差传感器采用旋转编码器或电位计或角度编码器。

11.如权利要求1所述的航天器对接系统，其特征在于：所述丝杠螺母组件包括丝杆、螺母和传动齿轮组，所述螺母通过所述传动齿轮组被所述主缓冲器驱动旋转，所述丝杠与所述螺母匹配，进而通过所述螺母的旋转实现伸缩，所述丝杠连接所述主动对接环，且同一组中的两个丝杠通过所述自差缓冲器实现相对的伸缩调整。

12.如权利要求1所述的航天器对接系统，其特征在于：还包括控制装置，所述控制装置根据所检测到的所述丝杠螺母组件的伸缩状态对所述主缓冲器和自差缓冲器进行控制，以满足对接过程的运动需求。

13.一种航天器对接方法，其特征在于：采用了如权利要求1至6、9至12任意之一所述的航天器对接系统，包括如下步骤：

S1：所述主缓冲器和/或自差缓冲器被调整为捕获模式，通过三个所述主缓冲器驱动六个所述丝杠螺母组件伸出，从而将所述主动对接环推出；

S2：所述主动对接环与被动对接装置接触后，所述主动对接环在相互作用力下发生偏转，依据所述主缓冲器和/或自差缓冲器采集而来的所述丝杠螺母组件的伸缩数据，通过所述主缓冲器和/或自差缓冲器驱动所述丝杠螺母组件进行伸出，以实现相应的导向和对准；

S3：所述主动对接环与被动对接装置的被动对接环之间通过其上的捕获装置实现柔性连接；完成柔性连接后，所述主缓冲器和/或自差缓冲器调整为缓冲模式，捕获传感装置被触发，进入步骤S4或S5；

S4：依据所述主缓冲器和/或自差缓冲器采集而来的所述丝杠螺母组件的伸缩数据，通过所述主缓冲器和/或自差缓冲器控制所述丝杠螺母组件的伸缩情况，使其达到所需姿态，其中，通过所述自差缓冲器使得一组中的两个所述丝杠螺母组件的伸缩情况一致；然后，进入步骤S6；

S5：将两个所述丝杠螺母组件伸出至极限位置，进而完成对接环姿态的强制校正；然后，进入步骤S6；

S6：拉近主动对接装置和被动对接装置，实现精准对位；

S7：完成刚性连接和密封；

其中，缓冲模式下的所述主缓冲器和自差缓冲器的驱动能力大于捕获模式下的所述主缓冲器和自差缓冲器的驱动能力。

14.如权利要求13所述的航天器对接方法，其特征在于：每组所述缓冲机构还包括主离合器和辅缓冲离合器；仅当所述主离合器未打滑时，所述主缓冲器驱动丝杠螺母组件伸缩，仅当所述辅缓冲离合器未打滑，所述自差缓冲器驱动丝杠螺母组件进行伸缩调整；

在缓冲模式下的所述主离合器和辅缓冲离合器的离合力矩小于捕获模式下的所述主离合器和辅缓冲离合器的离合力矩。