CN106564629B - 一种基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置 - Google Patents

Abstract

一种基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置包括：黏附机构、传动机构、驱动机构和底板；黏附机构包括加载腱、连接腱等以及成对设置的黏附机构上层、柔性支撑件和黏附机构下层，黏附机构上层固定在底板下表面，黏附机构上层和黏附机构下层通过绕线将柔性支撑件夹在二者之间，黏附机构下层下表面设有黏附材料，连接腱两端分别固定在黏附机构下层的中心位置；加载腱一端系在连接腱中间位置；传动机构包括由滑轮线串联形成闭环回路的多个定滑轮组件和动滑轮组件以及复位弹簧；驱动机构启动，滑轮线拉紧，带动动滑轮组件移动，复位弹簧受力拉长，加载腱和连接腱受力紧绷，使得黏附机构下层产生切向位移，黏附材料处于加载状态，产生法向黏附力。

Description

一种基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置

技术领域

本发明涉及一种空间在轨捕获装置，特别是一种基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置。

背景技术

在空间微重力和真空环境下，空间碎片形状大小不一，传统的夹持捕获方法已不再适用，因此亟待需要一种新式的碎片捕获方法。通过对壁虎脚掌黏附特性的研究，发现壁虎脚掌黏附力的产生需要一定的运动条件：首先，仿生脚掌和被黏附平面之间需要一定的预压力；其次，需要对仿生脚掌施加平行于被黏附面的切向加载力，使得脚掌刚毛弯曲，增大刚毛与被黏附表面的接触面积，产生足够的范德华力；最后，脱附时，卸载切向加载力，将脚掌沿法向施加很小拉力即可实现脱附。而现有技术中的黏附装置,无法完全满足上述黏附和脱附时的要求，存在各黏附单元黏附效果不均等问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单，体积小，黏附力较大，操作方便，可重复使用，能够黏附不同材料物体的基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置，以满足在轨服务中空间碎片的在轨捕获需求。

本发明的技术解决方案是：一种基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置，包括：黏附机构、传动机构、驱动机构和底板；所述底板为矩形，所述黏附机构包括黏附机构上层、柔性支撑件、黏附机构下层、加载腱、连接腱、黏附材料和绕线，所述黏附机构上层、柔性支撑件和黏附机构下层以矩形底板的中心线成对对称设置，所述黏附机构上层固定在底板下表面，所述黏附机构上层和黏附机构下层通过绕线连接并将柔性支撑件夹在所述黏附机构上层和黏附机构下层之间，所述黏附机构下层下表面设置有黏附材料，所述连接腱两端分别固定在对称设置的2个黏附机构下层的中心位置；所述加载腱一端系在所述连接腱中间位置；黏附时，所述驱动机构带动传动机构使得加载腱和连接腱受力紧绷，进而使得黏附机构下层产生向心方向的切向位移，使黏附材料处于加载状态，产生法向黏附力；脱附时，所述驱动机构带动传动机构使得加载腱和连接腱均处于松弛状态，黏附机构下层回到自然状态，黏附材料失去向心方向的切向加载，法向黏附力消失。

进一步的，所述传动机构包括多个定滑轮组件、多个动滑轮组件、滑轮线和设置有复位弹簧的绕线架；所述多个定滑轮组件、多个动滑轮组件、绕线架设置在所述底板上表面，所述绕线架系有加载腱的另一端，所述滑轮线将所有定滑轮组件和动滑轮组件串联，形成闭环回路；黏附时，所述驱动机构驱动，使得滑轮线拉紧，带动动滑轮组件移动，复位弹簧受力拉长，加载腱和连接腱受力紧绷，使得黏附机构下层产生向心方向的切向位移，使黏附材料处于加载状态，产生法向黏附力；脱附时，所述驱动机构驱动，使得动滑轮组件和复位弹簧复位，加载腱和连接腱均处于松弛状态，黏附机构下层回到自然状态，黏附材料失去向心方向的切向加载，法向黏附力消失。

进一步的，所述驱动机构包括舵机、绞轮和绞线；所述绞轮固定在舵机的输出轴上；绞线一端固定在绞轮上，另一端系在滑轮线上；黏附时，所述舵机正转时，绞轮收起绞线，滑轮线拉紧；脱附时，所述舵机反转至初始位置，动滑轮组件和复位弹簧复位，加载腱和连接腱均处于松弛状态。

进一步的，所述空间在轨捕获装置包括固定在底板上的外圈支撑和外壳，所述舵机固定在外壳上；所述外圈支撑为多个，均布在所述底板的四周，所述外圈支撑底面所处平面高于黏附材料所处平面。

进一步的，所述定滑轮组件包括定滑轮和定滑轮轴，所述定滑轮轴固定设置在所述底板上，所述定滑轮套在定滑轮轴上并通过卡簧限制定滑轮的轴向位移。

进一步的，所述动滑轮组件包括动滑轮和动滑轮轴，所述动滑轮轴两端分别插在外壳和底板的槽内并可在槽内移动，所述舵机正转或反转时，动滑轮轴在外壳和底板的槽内移动，所述动滑轮套在动滑轮轴上并通过卡簧限制动滑轮的轴向位移。

进一步的，所述传动机构包括用于加载腱导向的导向装置，所述导向装置包括导向轴和导向架，所述导向架固定在底板上，导向轴插在导向架上，通过卡簧限制所述导向轴的轴向位移。

进一步的，所述绕线架套在动滑轮轴上。

进一步的，所有定滑轮组件在所述滑轮线形成的闭环回路内部。

进一步的，所述黏附机构上层、柔性支撑件和黏附机构下层共3对。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的空间在轨捕获装置采用多片小面积黏附材料代替大面积整片黏附材料，保证黏附机构与目标物表面的充分接触，同时，在黏附机构中添加柔性支撑件，可使黏附材料适应目标物表面的微小曲率，提升黏附效率；

(2)本发明的空间在轨捕获装置采用串联滑轮组作为传动机构，在加载过程中能够保证各黏附材料所受加载力相等，使得黏附装置总体黏附力最大化，避免由于各黏附材料黏附力不均从而导致黏附装置翻转；

(3)本发明的空间在轨捕获装置的黏附机构和传动机构均采用模块化设计，可扩展多个黏附机构，提升黏附装置的黏附效果。

附图说明：

图1为本发明的在轨捕获装置的外部整体结构示意图；

图2为本发明的在轨捕获装置去掉外壳后的内部结构示意图；

图3为本发明的在轨捕获装置滑轮组件复位及加载腱连接方式的结构示意图；

图4为图1的仰视图；

图5为图4中沿A-A的剖视图；

图6为本发明的在轨捕获装置的黏附机构的结构示意图；

图7为本发明的在轨捕获装置的滑轮组件原理图。

具体实施方式

如图1-7所示，一种基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置包括：黏附机构1、传动机构2、驱动机构3和底板4，所述底板4为矩形，所述黏附机构1包括黏附机构上层101、柔性支撑件102、黏附机构下层103、加载腱104、连接腱105、黏附材料106和绕线107，所述黏附机构上层101、柔性支撑件102和黏附机构下层103以矩形底板4的中心线成对对称设置；所述黏附机构上层101固定在底板4下表面，所述黏附机构上层101和黏附机构下层103通过绕线107连接并将柔性支撑件102夹在所述黏附机构上层101和黏附机构下层103之间，使得黏附机构下层103具有一定的活动能力，在黏附机构中添加柔性支撑件，可使黏附材料被动适应目标物表面的微小曲率，提升黏附效率；所述黏附机构下层103下表面通过不干胶粘有黏附材料106，所述连接腱105两端分别固定在对称设置的2个黏附机构下层103的中心位置；所述加载腱104一端系在所述连接腱105中间位置；

所述传动机构2包括多个定滑轮组件、多个动滑轮组件、滑轮线206、导向装置和固定设置有复位弹簧203的绕线架209；所述定滑轮组件包括定滑轮201和定滑轮轴202，所述定滑轮201套在定滑轮轴202上，所述定滑轮轴202固定设置在所述底板4上；所述动滑轮组件包括动滑轮204和动滑轮轴205，所述动滑轮204套在动滑轮轴205上，所述动滑轮轴205一端插在底板4的槽内并可在槽内沿径向方向移动，所述绕线架209套在动滑轮轴205上，所述绕线架209系有加载腱104的另一端，所述用于加载腱104导向的导向装置包括导向轴207和导向架208，所述导向架208固定在底板4上，导向轴207插在导向架208上；所述滑轮线206将所有定滑轮组件和动滑轮组件串联，形成闭环回路，所有定滑轮组件在所述滑轮线206形成的闭环回路内部。

所述驱动机构包括舵机301、绞轮302和绞线303；所述绞轮302固定在舵机301的输出轴上；绞线303一端固定在绞轮302上，另一端系在滑轮线206上；

所述舵机301正转时，绞轮302收起绞线303，滑轮线206拉紧，带动动滑轮组件在底板4的槽内沿径向方向移动，复位弹簧203受力拉长，加载腱104和连接腱105受力紧绷，使得黏附机构下层103产生向心方向的切向位移，使黏附材料106处于加载状态，产生法向黏附力；所述舵机301反转至初始位置，动滑轮组件和复位弹簧203复位，加载腱104和连接腱105均处于松弛状态，黏附机构下层103回到自然状态，黏附材料106失去向心方向的切向加载，法向黏附力消失。

优选的，所述底板4为正方形，所述黏附机构上层101、柔性支撑件102和黏附机构下层103共3对，以正方形底板中心线成对对称设置，6片30×30mm的正方形黏附材料通过不干胶粘在每个黏附机构下层103下表面，如图4和图5所示；采用多片小面积黏附材料代替大面积整片黏附材料，保证黏附机构与目标物表面的充分接触。

优选的，所述在轨捕获装置包括固定在底板4上的外圈支撑5和外壳6；所述外圈支撑5为8个，均布在所述底板4的四周，用于保证机构的平衡，避免由于各黏附材料黏附力不均从而导致黏附装置翻转，所述外圈支撑5底面所处平面高于黏附材料106所处平面；所述外壳6罩在所述底板4上，用于保护黏附装置内部结构，且留有定位孔，用于舵机控制板的安装，所述舵机301固定在外壳6上，外壳6上设置有槽，所述动滑轮轴205另一端插在外壳6的所述槽内并可在槽内沿径向方向移动，所述舵机301正转或反转至初始位置时，动滑轮轴205在外壳6和底板4的槽内沿径向方向移动，如图1和图2所示。

优选的，所述定滑轮轴202和动滑轮轴205为阶梯轴，设置卡簧限制所述定滑轮201、动滑轮204和导向轴207的轴向位移，通过设置卡簧限制滑轮和导向轴的轴向位移，提高了滑轮线206的移动精度。

本发明所述的基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置的工作过程分为：捕获目标物的黏附阶段和捕获目标物的脱落阶段。

捕获目标物的黏附阶段：初始状态下，舵机301处于初始位置，复位弹簧203处于轻微拉伸状态，滑轮线206在复位弹簧203作用下处于预紧状态，动滑轮组件复位在底板和壳体槽内一端，加载腱104及连接腱105均处于松弛状态，黏附机构下层103处于自然状态。黏附时，空间在轨捕获装置以一定的速度沿垂直于底板4方向与目标物表面接触，柔性支撑件起缓冲作用的同时适应目标物表面的微小曲率，黏附材料106与目标物表面接触后，在目标物表面的反作用力下，柔性支撑件102受压，直至外圈支撑5和黏附材料106均与目标物表面接触，此时，舵机301正转将绞线303绞入绞轮302，绞轮302收起绞线303使得滑轮线206拉紧，从而带动动滑轮组在底板4和外壳6的槽内沿径向方向滑动，复位弹簧203受力拉长，动滑轮轴205根部的加载腱104和连接腱105受力张紧，使得每对黏附材料106沿切向方向产生运动趋势，从而使黏附材料106的楔形刚毛弯曲，增大刚毛与待黏附表面的接触面积，产生足够的范德华力，以使空间在轨捕获装置牢固的黏附到目标物表面上。

捕获目标物的脱落阶段：舵机301反转至初始位置的同时带动绞轮302反向旋转，释放绞线303，在复位弹簧203的作用下，带动动滑轮组件在底板4和外壳6的槽内滑动回到初始位置，此时加载腱104和连接腱105松弛，加载力释放，黏附机构下层103重新回到自然状态，黏附材料106失去切向加载，法向黏附力消失，根据黏附材料106的黏附特性，在没有加载力的情况下，仅需很小的法向拉力即可完成空间在轨捕获装置与目标物表面的脱落。

本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于仿生壁虎干黏附材料的空间在轨捕获装置，其特征在于包括：黏附机构(1)、传动机构(2)、驱动机构(3)和底板(4)；所述底板(4)为矩形，所述黏附机构(1)包括黏附机构上层(101)、柔性支撑件(102)、黏附机构下层(103)、加载腱(104)、连接腱(105)、黏附材料(106)和绕线(107)，所述黏附机构上层(101)、柔性支撑件(102)和黏附机构下层(103)以矩形底板(4)的中心线成对对称设置，所述黏附机构上层(101)固定在底板(4)下表面，所述黏附机构上层(101)和黏附机构下层(103)通过绕线(107)连接并将柔性支撑件(102)夹在所述黏附机构上层(101)和黏附机构下层(103)之间，所述黏附机构下层(103)下表面设置有黏附材料(106)，所述连接腱(105)两端分别固定在对称设置的2个黏附机构下层(103)的中心位置；所述加载腱(104)一端系在所述连接腱(105)中间位置；黏附时，所述驱动机构(3)带动传动机构(2)使得加载腱(104)和连接腱(105)受力紧绷，进而使得黏附机构下层(103)产生向心方向的切向位移，使黏附材料(106)处于加载状态，产生法向黏附力；脱附时，所述驱动机构(3)带动传动机构(2)使得加载腱(104)和连接腱(105)均处于松弛状态，黏附机构下层(103)回到自然状态，黏附材料(106)失去向心方向的切向加载，法向黏附力消失；

所述传动机构(2)包括多个定滑轮组件、多个动滑轮组件、滑轮线(206)和设置有复位弹簧(203)的绕线架(209)；所述多个定滑轮组件、多个动滑轮组件、绕线架(209)设置在所述底板(4)上表面，所述绕线架(209)系有加载腱(104)的另一端，所述滑轮线(206)将所有定滑轮组件和动滑轮组件串联，形成闭环回路；黏附时，所述驱动机构(3)驱动，使得滑轮线(206)拉紧，带动动滑轮组件移动，复位弹簧(203)受力拉长，加载腱(104)和连接腱(105)受力紧绷，使得黏附机构下层(103)产生向心方向的切向位移，使黏附材料(106)处于加载状态，产生法向黏附力；脱附时，所述驱动机构(3)驱动，使得动滑轮组件和复位弹簧(203)复位，加载腱(104)和连接腱(105)均处于松弛状态，黏附机构下层(103)回到自然状态，黏附材料(106)失去向心方向的切向加载，法向黏附力消失；

所述驱动机构包括舵机(301)、绞轮(302)和绞线(303)；所述绞轮(302)固定在舵机(301)的输出轴上；绞线(303)一端固定在绞轮(302)上，另一端系在滑轮线(206)上；黏附时，所述舵机(301)正转时，绞轮(302)收起绞线(303)，滑轮线(206)拉紧；脱附时，所述舵机(301)反转至初始位置，动滑轮组件和复位弹簧(203)复位，加载腱(104)和连接腱(105)均处于松弛状态。

2.根据权利要求1所述的空间在轨捕获装置，其特征在于：包括固定在底板(4)上的外圈支撑(5)和外壳(6)，所述舵机(301)固定在外壳(6)上；所述外圈支撑(5)为多个，均布在所述底板(4)的四周，所述外圈支撑(5)底面所处平面高于黏附材料(106)所处平面。

3.根据权利要求1所述的空间在轨捕获装置，其特征在于：所述定滑轮组件包括定滑轮(201)和定滑轮轴(202)，所述定滑轮轴(202)固定设置在所述底板(4)上，所述定滑轮(201)套在定滑轮轴(202)上并通过卡簧限制定滑轮(201)的轴向位移。

4.根据权利要求1所述的空间在轨捕获装置，其特征在于：所述动滑轮组件包括动滑轮(204)和动滑轮轴(205)，所述动滑轮轴(205)两端分别插在外壳(6)和底板(4)的槽内并可在槽内移动，所述舵机(301)正转或反转时，动滑轮轴(205)在外壳(6)和底板(4)的槽内移动，所述动滑轮(204)套在动滑轮轴(205)上并通过卡簧限制动滑轮(204)的轴向位移。

5.根据权利要求1所述的空间在轨捕获装置，其特征在于：所述传动机构(2)包括用于加载腱(104)导向的导向装置，所述导向装置包括导向轴(207)和导向架(208)，所述导向架(208)固定在底板(4)上，导向轴(207)插在导向架(208)上，通过卡簧限制所述导向轴(207)的轴向位移。

6.根据权利要求4所述的空间在轨捕获装置，其特征在于：所述绕线架(209)套在动滑轮轴(205)上。

7.根据权利要求1所述的空间在轨捕获装置，其特征在于：所有定滑轮组件在所述滑轮线(206)形成的闭环回路内部。

8.根据权利要求1所述的空间在轨捕获装置，其特征在于：所述黏附机构上层(101)、柔性支撑件(102)和黏附机构下层(103)共3对。