CN106882402A - 一种适用于自旋空间碎片的捕获消旋机构 - Google Patents

Abstract

一种适用于自旋空间碎片的捕获消旋机构，包括旋转部分和固定部分。旋转部分前端的外壳上设置有若干个具有欠驱动机构形式的“手指”机构，每根“手指”机构具有若干个旋转关节，每个关节安装扭转弹簧，每根“手指”由1根绳索牵引，形成欠驱动机构，可完成弯曲动作，并对接触的形状具备自适应能力。而每个关节的扭转弹簧抵抗绳索的牵引力，提供“手指”伸直的动力。所有“手指”成对、交叉布置，收拢时可“握住”不同大小的物体。所有“手指”的绳索都固定到一个滑块上，可实现联动。此滑块位于旋转部分内部，可沿旋转轴线相对旋转部分平动，但不能相对旋转部分转动。此滑块由丝杠‑螺母机构驱动，与螺母之间由转动副连接。

Description

一种适用于自旋空间碎片的捕获消旋机构

技术领域

本发明专利涉及一种捕获及消旋机构，能够对自旋的空间碎片实施捕获并使其自旋运动停止，属于空间机构领域。

背景技术

近地轨道上残留了大量的空间碎片，严重威胁航天活动。由于空间碎片无自主控制能力，因此都具有一定的自旋速度，其外轮廓形状、大小也多种多样，不具有通用的捕获接口。

国内，中国专利申请号为CN201310503724.3的发明“绳网式空间碎片抓捕与清除系统”公开了一种绳网式的空间碎片清理系统。中国专利申请号为CN201210228365.0的发明“一种基于薄壁式伸展臂的绳网展开装置”公开了另一种绳网式的空间碎片捕获装置。上述两种发明均采用绳网形式捕获空间碎片，虽然对空间碎片的外形、大小适应性较好，但如果空间碎片自旋速度很快或自旋能量较大时，上述两种发明消除空间碎片旋转状态的能力有限。并且，上述两种发明属于一次性工作机构，无法实现重复捕获。

另一篇文献中(李新刚裴胜伟.国外航天器在轨捕获技术综述，航天器工程，2013，22(1)：113-119)归纳了国外航天器捕获的主要方式为：利用伸缩杆捕获卫星的发动机喷管；利用飞网或飞爪捕获；利用机械臂捕获卫星的特定结构。其中，除飞网或飞爪对捕获对象外形无特殊要求外，其他捕获方式都只能对特定的结构才能实施捕获，对捕获对象外形的适应性差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有捕获机构对空间碎片自旋转动适应性的不足，提出了一种由旋转和固定两部分组成的机构，具有抓取功能的机构设置在旋转部分的前端，在对空间碎片捕获前，对准其自旋轴，相对固定部分开始旋转，在达到与空间碎片同样的转速后再实施捕获。捕获完成后，通过旋转部分与固定部分之间的摩擦力和阻尼力，消耗空间碎片的旋转能量。

本发明进一步解决的技术问题是：克服现有捕获机构对空间碎片外轮廓形状、大小适应性的不足，提出一种基于欠驱动机构原理的多爪式捕获机构，在捕获过程中对不同形状、大小的空间碎片具有一定的自适应性，并且具有重复捕获的能力。

本发明的技术方案是：一种适用于自旋空间碎片的捕获消旋机构，包括旋转部分和固定部分；

所述旋转部分包括旋转外壳、绳索、第一导向轮、手指机构、导向锥，所述固定部分包括固定外壳、第一动力源、第二动力源、导杆、下安装座、滑块、驱动轮、螺母、丝杠，旋转外壳与固定外壳通过第一轴承装配在一起；

固定外壳内安装第一动力源、第二动力源和下安装座；

第二动力源驱动端与驱动轮连接，驱动轮与旋转外壳的内壁接触并传递扭矩；

丝杠通过第三轴承固定，丝杠末端与第一动力源驱动端相连；

螺母与丝杠装配在一起，沿着导杆平行移动；

旋转外壳内壁设有导向结构，滑块与螺母之间通过第四轴承连接，滑块沿着导向结构平行移动；

滑块上固定绳索，绳索绕过第一导向轮，伸入手指机构中，手指机构根部与旋转外壳之间由转动副连接；

导向锥安装在旋转外壳前端，内侧平面安装第一导向轮。

所述手指机构每两节手指之间通过转动关节连接，转动关节内安装有同轴旋转的扭簧弹簧，其扭矩作用方向与使手指机构整体弯曲的方向相反，转动关节外部为带槽的轮子；每节手指内部安装有第二导向轮；绳索的一端固定在手指机构指尖的第一个转动关节里，从指尖第一个转动关节向后面的关节逐个缠绕过所有转动关节和第二导向轮，使绳索收紧时转动关节与导向轮的转动方向相反，使各转动关节向内侧弯曲，绳索最后从指根伸出，进入旋转外壳中。

所述手指机构包括至少两根手指，每两根相对布置，收拢时相互交叉。

所述手指机构设置为四根。

所述每个转动关节内扭转弹簧之间的刚度大小均有差异，使转动关节按刚度小的先弯曲的顺序先后弯曲。

所述第一导向轮为直径大小不同的两个同轴连体滑轮，绳索分成两段，与滑块连接的一段缠绕在直径较小的轮子上并固定，绳索的另一段缠绕在直径较大的轮子上并固定，形成具有一定传动比的轮组。

所述丝杠中心与旋转轴线同心。

所述导杆数量最少两根。

所述固定部分还包括上安装座，上安装座通过导杆与下安装座连接。

所述固定部分还包括第二轴承，丝杠通过第二轴承和第三轴承固定。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出了一种可捕获自旋空间碎片的捕获消旋机构，采用可高速旋转的“手指”机构，可对较高自旋速度的空间碎片进行捕获；采用电机反驱动力矩和内部摩擦力或阻尼力，捕获空间碎片后可使其自旋运动停止。

(2)本发明提出了一种外轮廓自适应性捕获机构，采用联动的欠驱动形式的“手指机构”，并成对、交叉布置，可对不同外轮廓形状、大小的空间碎片进行捕获，并且具有重复捕获能力。

(3)本发明提出了一种捕获自旋空间碎片的捕获消旋机构，由旋转和固定两部分组成，采用绳索驱动“手指机构”，使做旋转运动的部件均不需连接电缆或气、液管路等易损部件，机构设计的可靠性高。

(4)本发明提出了一种捕获自旋空间碎片的捕获消旋机构，采用丝杠-螺母机构驱动联动的多组欠驱动机构，增力效果较好，可输出较大的抓取力。

附图说明

图1是本发明的剖视图；

图2a是本发明每根手指机构原理图；

图2b是本发明每根手指机构弯曲后的示意图；

图3是本发明最小包络示意图；

图4是本发明最大展开姿态示意图；

图5a、图5b是本发明机构收拢过程示意图。

具体实施方式

本发明捕获消旋机构由旋转部分和固定部分两者组成，旋转部分与固定部分由转动副连接，可持续地相对整圈旋转。旋转外壳与固定外壳通过第一轴承装配在一起。在图1所示实例中，旋转外壳4与固定外壳10通过第一轴承9装配在一起。固定外壳10内安装第一电机11、第二电机20和下安装座8。第二电机20前端与驱动轮19连接，驱动轮的另一端与旋转阻尼器18连接，旋转部分与固定部分由转动副连接，可持续地相对整圈旋转。驱动轮19与旋转外壳4的内壁接触并传递扭矩。上安装座1通过导杆3与下安装座8连接。丝杠7通过第二轴承2和第三轴承17固定。丝杠7末端与第一电机11相连。螺母6与丝杠7装配在一起，并被导杆3限制与下安装座8之间的相对旋转。导杆3数量最少两根。旋转外壳4内壁设有长条状导向结构；滑块16与螺母之间通过第四轴承5连接，并被旋转外壳4内壁的导向结构限制与旋转外壳4之间的相对旋转。滑块16上固定着所有绳索15。绳索绕过第一导向轮13，伸入手指机构14中。手指机构14根部与旋转外壳之间由转动副连接。导向锥12安装在旋转外壳4前端，内侧平面安装第一导向轮13。

图2a显示了每根手指机构14由五节构成。五节是图示实例的数量，手指机构14最少一节，节数越多，对包裹其内的物体表面接触点越多，形状自适应性越好。每两节手指之间由转动关节21连接，转动关节21内安装有同轴旋转的扭转弹簧，扭矩作用方向与使手指机构14整体弯曲的方向相反。转动关节21外部为带槽的轮子，起到对绳索的导向、减小摩擦作用。每节手指内部安装一至两个第二导向轮22，也是对绳索起到导向、减小摩擦作用。绳索的一端固定在手指机构14指尖的第一个关节里，按照图示顺序缠绕过所有转动关节21和第二导向轮22，最后从指根伸出，进入图1所示的旋转外壳4里。当向手指机构外部方向拉动绳索15时，手指机构14会整体弯曲成图2b所示形状。绳索对每个转动关节21产生的扭矩，与转动关节21外部的轮子直径有关，直径越大，在相同绳索拉力下，产生的扭矩也越大。通过设计每个转动关节21内扭转弹簧之间的刚度大小差异，可使转动关节21按照预定的顺序先后弯曲。所有“手指”成对、交叉布置，收拢时可“握住”不同大小的物体。所有“手指”的绳索都固定到一个滑块上，可实现联动。此滑块位于旋转部分内部，可沿旋转轴线相对旋转部分平动，但不能相对旋转部分转动。此滑块由丝杠-螺母机构驱动，与螺母之间由转动副连接。丝杠-螺母机构安装在固定部分里，丝杠中心与旋转轴线同心。

图3显示的实例中，旋转外壳4外，布置了四根手指机构14，每两根相对布置，收拢时相互交叉。本发明手指机构14的数量最少为两根，数量上限由结构大小和实际需求决定。四根手指机构14是优化后的数量，既能适应大部分典型外形的抓取，重量代价和机构复杂程度也适中。图3是本发明收拢到极限时的状态，外形包络相对图4所示的全展开状态小很多，对存储和发射十分有利。

本发明的工作过程为：捕获开始前，本发明首先将自身旋转轴线尽量对准自旋空间碎片的旋转轴线。第一电机11加电，驱动丝杠7转动，带动螺母6和滑块16向上安装座1方向平动，所有手指机构14同时张开到图4所示状态。第二电机20加电，驱动轮19通过摩擦力使旋转外壳4相对固定外壳10开始旋转，所有手指机构14和滑块16一同旋转，而螺母6不旋转。开始捕获时，丝杠7反向转动，带动螺母6和滑块16向下安装座8方向平动，所有手指机构14依次收拢成图5a、图5b所示状态，使空间碎片无法逃脱，完成捕获。在捕获过程中导向锥12起到辅助导向作用。在图5b中，手指机构14两两交错，可适应不同大小的空间碎片。第二电机20根据实际需要在捕获开始前、捕获过程中或捕获完成后停止加电。在捕获完成后，由于空间碎片与本发明的旋转轴线不是严格同轴，因此空间碎片在手指机构14的包裹下会以一定的频率扭摆，并与手指机构14朝向空间碎片的一侧表面不断碰撞、摩擦。旋转外壳4和固定外壳10之间的摩擦力、第二电机20的反驱阻力和旋转阻尼器18的阻尼力会通过手指机构14传递给空间碎片，使其自旋速度不断降低，最终停止旋转。

如果手指机构14节数较多时，收拢时绳索15需要从手指机构14中拉出的长度较长，要求螺母6的行程也较长。可以将第一导向轮13设计成直径大小不同的两个固定在一起的轮子。绳索15分成2段，与滑块16连接的一段缠绕在直径较小的轮子上并固定，绳索15的另一段缠绕在直径较大的轮子上并固定，形成了具有一定传动比的轮组。此设计可使螺母6的行程缩短，使本发明轴向尺寸更加紧凑。

本发明中做旋转运动的主要部件为旋转外壳4、导向锥12、手指机构14、滑块16等。做旋转运动的部件重量比重不到本发明总重量的一半，并且做旋转运动的部件均不需连接电缆或气、液管路等易损部件，机构设计的可靠性高。手指机构14的绳索15拉力由丝杠-螺母机构驱动，增力效果较好，可对空间碎片施加较大的抓取力。

本发明中第二轴承2、第四轴承5、第一轴承9和第三轴承17可由滑动轴承取代或取消，将两相邻部件直接以孔轴配合方式装配。驱动轮19与固定外壳10之间利用接触摩擦传递扭矩，可以用齿轮啮合方式传递扭矩代替。本发明中上安装座1及第二轴承2可取消，不影响本发明功能的实现，但导杆3的抗扭转能力会下降。旋转阻尼器18可取消，不影响本发明功能的实现，但消除旋转运动的阻力会减小。

旋转部分的旋转动力可采用电机或其他动力源提供，电机安装在固定部分里，通过轮子与旋转部分内壁接触传递扭矩，电机的在捕获完成后断电，电机的反驱力矩和机构内部摩擦力或阻尼力成为阻力，最终会使空间碎片及旋转部分都停止旋转。

丝杠7的旋转动力可采用电机或其他动力源提供，电机安装在固定部分里。丝杠-螺母机构不随旋转部分旋转。螺母6相对固定部分的旋转自由度被限制。当旋转部分开始旋转时，固定绳索15的滑块16相对螺母旋转。本发明的所有相对固定部分旋转的部件都不含动力源，避免了如电线、气路、液路等管线的整圈旋转问题。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种适用于自旋空间碎片的捕获消旋机构，其特征在于：包括旋转部分和固定部分；

所述旋转部分包括旋转外壳(4)、绳索(15)、第一导向轮(13)、手指机构(14)、导向锥(12)，所述固定部分包括固定外壳(10)、第一动力源(11)、第二动力源(20)、导杆(3)、下安装座(8)、滑块(16)、驱动轮(19)、螺母(6)、丝杠(7)，旋转外壳(4)与固定外壳(10)通过第一轴承(9)装配在一起；

固定外壳(10)内安装第一动力源(11)、第二动力源(20)和下安装座(8)；

第二动力源(20)驱动端与驱动轮(19)连接，驱动轮(19)与旋转外壳(4)的内壁接触并传递扭矩；

丝杠(7)通过第三轴承(17)固定，丝杠(7)末端与第一动力源(11)驱动端相连；

螺母(6)与丝杠(7)装配在一起，沿着导杆(3)平行移动；

旋转外壳(4)内壁设有导向结构，滑块(16)与螺母(6)之间通过第四轴承(5)连接，滑块(16)沿着导向结构平行移动；

滑块(16)上固定绳索(15)，绳索(15)绕过第一导向轮(13)，伸入手指机构(14)中，手指机构(14)根部与旋转外壳(4)之间由转动副连接；

导向锥(12)安装在旋转外壳(4)前端，内侧平面安装第一导向轮(13)。

2.根据权利要求1所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述手指机构(14)每2节手指之间通过转动关节(21)连接，转动关节(21)内安装有同轴旋转的扭簧弹簧，其扭矩作用方向与使手指机构(14)整体弯曲的方向相反，转动关节(21)外部为带槽的轮子；每节手指内部安装有第二导向轮(22)；绳索(15)的一端固定在手指机构(14)的指尖里，从手指机构(14)指尖端第一个转动关节(21)向后面的关节逐个缠绕过所有转动关节(21)和第二导向轮(22)，使绳索收紧时转动关节(21)与导向轮(22)的转动方向相反，使各转动关节(21)向内侧弯曲，绳索(15)最后从指根伸出，进入旋转外壳(4)中。

3.根据权利要求2所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述手指机构(14)包括至少两根手指，每两根相对布置，收拢时相互交叉。

4.根据权利要求3所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述手指机构(14)设置为四根。

5.根据权利要求2所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述每个转动关节(21)内扭转弹簧之间的刚度大小均有差异，使转动关节(21)按刚度小的先弯曲的顺序先后弯曲。

6.根据权利要求1所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述第一导向轮(13)为直径大小不同的两个同轴连体滑轮，绳索(15)分成两段，与滑块(16)连接的一段缠绕在直径较小的轮子上并固定，绳索(15)的另一段缠绕在直径较大的轮子上并固定，形成具有一定传动比的轮组。

7.根据权利要求1所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述丝杠(7)中心与旋转轴线同心。

8.根据权利要求1所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述导杆(3)数量最少两根。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述固定部分还包括上安装座(1)，上安装座(1)通过导杆(3)与下安装座(8)连接。

10.根据权利要求9所述的捕获消旋机构，其特征在于：所述固定部分还包括第二轴承(2)，丝杠(7)通过第二轴承(2)和第三轴承(17)固定。