CN106584498A - 一种空间目标抓捕机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间目标抓捕机构及方法，采用夹钳式三指结构，保证该结构在承受各种规定的载荷和具有足够的强度下，质量尽可能小；可适应多种目标；且结构简单，易于加工，制造成本低。本发明提供的空间目标抓捕机构包括三指的手爪，以及驱动手爪闭合和打开的驱动机构，所述手爪采用三指结构，三指以抓捕机构中心面以2‑1的形式对称分布，且手指截面中心点连线构成等边三角形，最大程度上保证抓捕目标受到的抓捕力和力矩平衡。

Description

一种空间目标抓捕机构及方法

【技术领域】

本发明涉及一种航天领域用空间机器人，特别涉及一种空间目标抓捕结构及方法。

【背景技术】

在航天领域，空间机器人在空间任务中扮演了越来越重要的角色。利用空间机器人实施空间设备维修，模块更换，加注燃料和清除空间碎片等在轨服务是未来的发展趋势。由于在轨服务需要建立在捕获服务对象的基础之上，因此抓捕机构是空间机器人执行在轨服务任务的重要部分。

抓捕机构的设计需要与被抓捕目标的特征相匹配，在空间中，目标可以大致分为两类，第一类是设计了专用被抓持机构的目标，这类目标一般为合作目标；第二类是并没有设计专门被抓持机构的目标，这类目标可以是合作目标，也可以是非合作目标，大多数在轨飞行目标属于这类目标。

针对第一类目标，现有的抓捕机构有ROTEX手爪，抓捕目标为桁架；日本的ETS-VII项目中，NASDA研制的半灵巧三指手爪，以及哈尔滨工业大学研制的TS-4卫星空间机械臂上的抓捕机构，抓捕目标都为特定的圆柱形把手；美国OE计划中抓捕机构为三个抓手，抓捕目标为卫星对接配适器。这些空间抓捕机构都是针对特定的把手或者对接器而设计的，只能抓捕一种目标，适用性不强。

针对第二类目标，即没有特定的被抓持机构，尤其是非合作目标。但是大多数在轨飞行器上都包含星箭对接环，分离螺栓，远地点发动机喷管，太阳帆板支架和太阳帆板等常见结构，这些结构的形状在国际上都比较统一，并且有足够的强度承受抓捕力。可以将这些常见结构作为抓捕目标点。现有的针对第二类目标的抓捕机构有欧空局ESS项目中抓捕远地点发动机喷管的改锥型抓捕机构。美国FREND项目的螺栓抓取器。这两种抓捕机构的共同特点是小巧简便，但是同样只能抓捕喷管这类目标，并且对抓捕控制精度要求极高，几乎很难实现对非合作目标的抓捕。

从现有技术来看，现有的空间目标抓捕机构存在许多不足，主要体现在两个方面：

1.现有空间抓捕机构适用性不强

现有的抓捕机构只能针对一种抓捕部位进行抓捕，而随着空间在轨服务技术的发展，服务对象的多样化要求服务型抓捕机构具备适应多种目标的能力，所以提高抓捕机构的适用性很有必要。

2.抓捕机构包络范围偏小

在抓握过程中，空间机器人和目标抓捕部位之间存在残余速度，加之视觉、通讯和处理的时延，抓捕机构和目标抓捕部位之间会存在一个较大的误差，抓捕机构必须具有较大的包络范围才不至于包络过程中就和目标抓捕部位发生碰撞致使目标被撞飞逃出捕获区。其次，包络范围小，导致容错能力差，对控制精度要求极高。

参考文献

1.Reintsema D,Landzettel K,Hirzinger G.DLR’s Advance TeleroboticConepts and Experiments for on-orbit servicing；Avance in Telerobotics[M].Berlin/Heidelberg；springer,2007

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3.梁斌，杜晓东，李成，徐文福.空间机器人非合作目标在轨服务研究进展[J].ROBOT.2012,34,(2),242-256

4.唐能，空间合作目标捕获装置的研究[D].哈尔滨工业大学，2007。

【发明内容】

本发明提供了一种空间目标抓捕机构及方法，采用夹钳式三指结构，保证该结构在承受各种规定的载荷和具有足够的强度下，质量尽可能小；可适应多种目标；且结构简单，易于加工，制造成本低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种空间目标抓捕机构，该抓捕机构包括三指的手爪，以及驱动手爪闭合和打开的驱动机构，所述手爪采用三指结构，三指以抓捕机构中心面以2-1的形式对称分布，且手指截面中心点连线构成等边三角形，最大程度上保证抓捕目标受到的抓捕力和力矩平衡。

每个手指模仿人手抓握东西时微微弯曲的形状，手指横截面为椭圆形；每个手指纵向为折线设计，折线之间的夹角接近圆弧形状，且过渡平滑。

每个手指上镀有橡胶，在抓捕目标过程中减小碰撞冲击。

手指的末端行程达160mm，具有足够的容错能力。

当该抓捕机构张开到最大时，所述四连杆机构不会到达四连杆机构的死点位置，当该抓捕机构关闭到最小时，该四连杆机构不会与该抓捕机构的其他部分发生干涉。

所述手爪安装在手爪基座上，手爪基座的中心安装有手眼相机，手眼相机通过中空的支撑杆走线，避免电线裸露在外。

所述驱动机构通过传动结构驱动手爪动作，所述传动结构包括梯形丝杠、与梯形丝杠配合使用的丝杠螺母，以及与丝杠螺母连接的连杆，该连杆的末端连接所述手指。

所述梯形丝杠带有反向自锁结构，所述驱动机构的电机输出端连接有减速箱，该减速箱的输出端连接可反向自锁的梯形丝杠。

该抓捕机构进一步包括有外部支撑结构和内部支撑结构，外部支撑结构包括电机外壳以及手爪安装座，内部支撑结构包括导向定位杆和手爪基座；所述减速箱与端盖通过螺钉连接，端盖和电机外壳通过丝柱连接，手爪安装座与端盖过盈配合，定位支撑杆通过螺钉分别与手爪安装座和手爪基座相连，导向定位杆分别与手爪安装座和手爪基座通过螺纹连接。

所述导向定位杆轴线到两个定位支撑杆轴线的距离相等。

一种空间目标抓捕方法，在驱动机构的作用下，抓捕机构张开到极限位置，根据手眼相机传来的信息调整位置姿态，之后，抓捕机构闭合实现对目标的抓捕，捕获目标后，抓捕机构自锁，实现对目标的牢固抓捕。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明空间目标抓捕机构的手爪采用三指结构，三指以抓捕机构中心面以2-1的形式对称分布，且手指截面中心点连线构成等边三角形，最大程度上保证抓捕目标受到的抓捕力和力矩平衡，且结构简单，易于加工，制造成本低。

【附图说明】

图1是本发明空间目标抓捕机构总体结构二维线架示意图；

图2是本发明空间目标抓捕机构总体结构二维剖面示意图；

图3是为抓捕机构运动简图；

图4是电机匀速转动时末端G点速度随时间的变化曲线；

图5是抓捕机构处于极限张开位置简图；

图6是抓捕机构处于极限闭合位置简图；

图7是抓捕目标为小型远地点喷管和太阳帆板时的接触切面原理图；

图8是抓捕目标为杆和对接环时的接触情况原理图；

图9是抓捕机构抓捕太阳帆板类目标的最终稳定状态；

图10是抓捕小型远地点发动机喷管类目标的最终稳定状态；

图11是抓捕机构抓捕支架类目标的最终稳定状态；

图12是抓捕机构抓捕星箭对接环类目标的最终稳定状态。

【具体实施方式】

针对现有抓捕机构存在的不足，本发明提出了一种空间目标抓捕机构，采用夹钳式三指结构，保证该结构在承受各种规定的载荷和具有足够的强度下，质量尽可能小；可适应多种目标(如太阳帆板和帆板支架、远地点发动机喷管、星箭对接环等)；手爪包络范围较大；结构尽可能简单，可自锁，易于加工，制造成本低。本发明的抓捕机构可以实现

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：设计了夹钳式三指手爪，采用直流无刷电机驱动，通过减速箱3减速，带动可反向自锁的梯形丝杠8转动进而带动丝杠螺母9上下运动，丝杠螺母9的运动带动连杆12运动，驱动手爪的开合，实现对目标的抓捕。夹钳式的结构简单可靠。三手指形，具有抓握稳定、高刚度、高精度、大加持力和大误差矫正等特性，同时既可以保证手爪的灵活性，又不会使机构过于复杂。

手眼相机安装在抓捕机构固定手掌的中心，通过中空的支撑杆来走线，避免了电线裸露在外，使抓捕机构结构更加紧凑美观。与将手眼相机偏置的结构方案相比，本发明中将相机放在抓捕机构中心，可充分利用手眼相机的视场，并且可直接通过拍摄到的图片判断抓捕机构中心与抓捕目标点之间的相对位置，无需转换计算。

抓捕机构设计中采用了可反向自锁的梯形丝杠，可保证抓捕目标后不会因为外界作用使目标脱离。在抓捕空间目标时，抓捕机构张开到极限位置，根据手眼相机传来的信息调整位置姿态，之后抓捕机构闭合实现对目标的抓捕。捕获目标后，抓捕机构自锁，不会因外力作用而使目标脱离，实现对目标的牢固抓捕。

抓捕机构可适应多种抓捕目标的特性主要从三个方面实现，分别是三个手指的分布，每个手指的构型和其表面的材料。三个手指以抓捕机构中心面以2-1的形式对称分布，手指截面中心点连线构成等边三角形，这种形式的手指分布可在最大程度上保证抓捕目标受到的抓捕力和力矩平衡，不管接触面是平面还是曲面，都可以实现对目标的稳定抓握。单个手指的构型模仿人手抓握东西时微微弯曲的形状，手指横截面为椭圆形，根据赫兹接触理论，在目标曲率半径一定的时，椭圆横截面相比圆横截面在接触处有更大的曲率半径，从而增加接触面积，使对目标的抓捕更加牢固。手指纵向设计为折线，相比较曲线圆弧更容易加工，且折线之间的夹角大，接近圆弧形状，保留了圆弧形状过渡平滑，可适应曲面接触面的优点。这种折线圆弧可以使抓捕机构与目标的接触变化平滑，没有结构上的突变，可以减少接触碰撞次数，增大抓捕成功几率，同时仿人手指的设计在视觉上给人和谐自然的感觉。手指上镀有橡胶，使抓捕机构具有一定的被动柔顺能力，在抓捕目标过程中能够减小碰撞冲击，并更好的贴合抓捕点的形状，增大接触面积，提高抓捕的稳定性。

抓捕机构的包络范围体现在手指末端的行程上。在设计过程中，综合考虑结构和尺寸等的因素，经过优化设计得到末端的行程可达160mm，常见在轨飞行目标上的可抓捕结构尺寸都在30mm以内，所以本发明具有足够的容错能力。具体地说，在丝杠螺母和手指之间设置四连杆机构，通过优化四连杆机构的长度和角度，就可以控制手指张开的范围，但是，当手指张开的最大时，不能到达四连杆机构的死点，而当手指收缩到最小时，四连杆机构不能与安装在中间的手眼相机发生干涉。四连杆机构的具体尺寸和角度根据以下确定：以四连杆机构的尺寸参数为变量，将手指转角范围的优化问题抽象为多变量的极值优化问题，通过MATLAB遗传算法优化工具箱进行优化确定。

下面请结合附图对本发明做详细说明。

请参照图1，本发明空间目标抓捕机构由驱动结构A，传动结构B，执行结构C，支撑结构D组成。

请参照图2，驱动结构主要由电机2以及相应的减速箱3组成，作为抓捕机构的动力源；传动结构主要由丝杠螺母9、梯形丝杠8和连杆12组成，用来传递运动，驱动手爪开合；执行机构为个手指15，直接和目标作用，执行抓捕任务；电机外壳1和手爪安装座7组成抓捕机构的外壳体，起到外部支撑和美化的作用。内部支撑结构由定位支撑杆11和手爪基座13组成，为抓捕机构提供支撑。另外手眼相机14安装在手爪基座13中心位置处，通过中空的导向定位杆10走线。

请参照图2，减速箱3与端盖4通过螺钉连接，端盖4和电机外壳1通过丝柱连接，手爪安装座7与端盖4过盈配合，定位支撑杆11通过螺钉分别与手爪安装座7和手爪基座13相连，导向定位杆10分别与手爪安装座7和手爪基座13通过螺纹连接。导向定位杆10轴线到两个定位支撑杆11轴线的距离相等。手爪基座13与手眼相机14通过丝柱相连。集线盒5通过螺钉与端盖4相连，为手眼相机14和末端标靶供电。减速箱3输出轴通过联轴器6与梯形丝杠8相连，丝杠螺母9与梯形丝杠8配合。丝杠螺母9，手指15和端盖4之间通过销轴连接。

如图3和图4，图3为抓捕机构运动简图，图4为AA匀速向下运动(即手爪闭合)时，手指末端G点速度随时间的变化曲线，在实际运动中，电机一般先加速再匀速最后减速，即AA匀速运动在5s-15s之间，在这段时间内，G点速度变化平稳，可近似看作匀速。由此可以得到，电机输入速度与手指输出速度之间有简单的近似线性关系，便于控制。

如图5，抓捕机构处于极限张开位置，从图中可以看出，抓捕机构的最大包络范围在150mm左右，远大于太阳帆板的厚度(10mm左右)、支架以及对接环的直径(20mm左右)，具有较高的容错能力，可大幅提升捕获目标的成功率。

如图6，抓捕机构处于极限闭合位置，从图中可以看出，抓捕机构手指之间的空间较小，可通过机械结构的卡住来实现对杆类目标的牢固抓捕。综合图3和图4，可以看出，抓捕机构手指末端的行程范围在160mm左右，可以适应该范围内多种尺寸的目标。

如图7，当抓捕目标为小型远地点喷管和太阳帆板时的接触切面。R1为手指椭圆截面与目标接触处的曲率半径，R2为目标在接触处的曲率半径(目标为帆板时R2为无穷大)，根据赫兹接触模型可知接触半宽a为：其中d为与材料和压力相关的参数，R为等效曲率半径。当目标曲率半径一定时，手指曲率半径越大，接触半宽越大，接触面积就越大。当手指的接触曲率半径一定时，椭圆截面的手指比圆截面的手指体积小，质量轻；当体积质量一定时，椭圆截面手指比圆截面手指接触曲率半径大。

如图8，为抓捕目标为杆和对接环时的接触情况，由赫兹接触理论可知此时接触面为椭圆或近似椭圆。接触面积为A，其中R1，R2，d的含义与图7中的相同。此种情况下，接触面积与手指接触处的曲率半径成正比，椭圆横截面与圆横截面相比优势明显。

如图9，为抓捕机构100抓捕太阳帆板类目标300的最终稳定状态。太阳帆板的厚度在20mm左右，长度和宽度不限。由于三个手指的速度大小相等，抓捕这类目标的关键是手指同时接触目标，以防止目标受力不均发生转动。但是，由于存在测量误差等系统误差，实际抓捕过程中，手指不能保证同时与帆板表面接触，但是此时未接触目标的手指离帆板表面的距离很近。这时需要快速闭合手爪，减小手指与帆板接触时间间隔。在所有手指都接触到帆板之后，电机减速直至电机电流达到指定值时，表明手爪对帆板的加持力达到要求，电机断电，抓捕帆板任务完成。

如图10，为抓捕小型远地点发动机喷管类目标500的最终稳定状态。最大直径在120mm以内的喷管，为小型发动机喷管。抓捕此类目标的关键在于手爪与喷管的相对姿态，即喷管与梯形丝杠同轴。抓捕机构在调整到最佳捕获位姿后，闭合手爪，手爪与喷管的接触点构成三角形，喷管受力稳定，当抓捕机构电机电流达到指定值时，说明手爪对帆板的加持力达到要求，电机断电，抓捕小型远地点发动机喷管任务完成。

如图11、图12，分别为抓捕机构A抓捕支架类目标400和星箭对接环类目标200的最终稳定状态。这两类目标外形似，抓捕方案也基本相同。首先通过手眼相机找到合适的抓捕位置，即在手爪闭合的过程中，要尽量避免碰触费抓捕目标之外的结构。在调整到最佳抓捕位姿之后，闭合手爪，促使目标杆沿着手指不断向手爪基座运动，直至目标杆接触到手眼相机的石英玻璃外壳，此时手爪闭，手眼相机外壳将目标杆卡死，电机断电，抓捕目标杆任务完成。

综上所述，本发明所设计的空间目标抓捕机构有如下的优点：

1.具备适应多种抓捕目标的能力，可实现对卫星上远地点发动机喷管，星箭对接环，太阳帆板和帆板支架等常见结构的抓捕；

2.包络范围大，抓捕机构可以在位置误差、姿态误差较大的情况下可靠地完成捕获，闭合、开合动作迅速，对控制系统要求较低；

3.可自锁，指间夹持力与反向制动扭矩足够大，可实现对目标的牢固抓捕。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空间目标抓捕机构，其特征在于：该抓捕机构包括三指的手爪，以及驱动手爪闭合和打开的驱动机构，所述手爪采用三指结构，三指以抓捕机构中心面以2-1的形式对称分布，且手指截面中心点连线构成等边三角形，最大程度上保证抓捕目标受到的抓捕力和力矩平衡。

2.根据权利要求1所述的一种空间目标抓捕机构，其特征在于：每个手指模仿人手抓握东西时微微弯曲的形状，手指横截面为椭圆形；每个手指纵向为折线设计，折线之间的夹角接近圆弧形状，且过渡平滑。

3.根据权利要求1所述的一种空间目标抓捕机构，其特征在于：每个手指上镀有橡胶，在抓捕目标过程中减小碰撞冲击。

4.根据权利要求1所述的一种空间目标抓捕机构，其特征在于：所述手爪安装在手爪基座(13)上，手爪基座(13)的中心安装有手眼相机(14)，手眼相机通过中空的支撑杆走线，避免电线裸露在外。

5.根据权利要求1所述的一种空间目标抓捕机构，其特征在于：所述驱动机构通过传动结构驱动手爪动作，所述传动结构包括梯形丝杠(8)、与梯形丝杠(8)配合使用的丝杠螺母(9)，以及与丝杠螺母(9)连接的四连杆机构，该四连杆机构的末端连接所述手指(15)。

6.根据权利要求5所述的一种空间目标抓捕机构，其特征在于：当该抓捕机构张开到最大时，所述四连杆机构不会到达四连杆机构的死点位置，当该抓捕机构关闭到最小时，该四连杆机构不会与该抓捕机构的其他部分发生干涉，保证手指的末端行程达160mm，具有足够的容错能力。

7.根据权利要求5所述的一种空间目标抓捕机构，其特征在于：所述梯形丝杠带有反向自锁结构，所述驱动机构的电机输出端连接有减速箱(3)，该减速箱(3)的输出端连接可反向自锁的梯形丝杠。

8.根据权利要求7所述的一种空间目标抓捕机构，其特征在于：该抓捕机构进一步包括有外部支撑结构和内部支撑结构，外部支撑结构包括电机外壳(1)以及手爪安装座(7)，内部支撑结构包括导向定位杆(10)和手爪基座(13)；所述减速箱(3)与端盖(4)通过螺钉连接，端盖(4)和电机外壳(1)通过丝柱连接，手爪安装座(7)与端盖(4)过盈配合，定位支撑杆(11)通过螺钉分别与手爪安装座(7)和手爪基座(13)相连，导向定位杆(10)分别与手爪安装座(7)和手爪基座(13)通过螺纹连接。

9.根据权利要求8所述的一种空间目标抓捕机构，其特征在于：所述导向定位杆轴线到两个定位支撑杆轴线的距离相等。

10.一种基于权利要求1至9中任一项所述的空间目标抓捕机构的抓捕方法，其特征在于：在驱动机构的作用下，抓捕机构张开到极限位置，根据手眼相机传来的信息调整位置姿态，之后，抓捕机构闭合实现对目标的抓捕，捕获目标后，抓捕机构自锁，实现对目标的牢固抓捕。