CN108372939A - 一种具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,包括套杆机构和设置在其下方的套筒机构,套杆机构包括套杆,套杆上固定设有底盘,在底盘上周向分散布设若干铰接架,每个铰接架上铰接有一个用于抓捕非合作目标的指爪型件;套筒机构设置在底盘下方,在套筒本体内壁上设有用于吸收振动冲击线冲量的液压组件,在套筒本体底部还设有用于吸收振动冲击角冲量的液压扭簧组件。在非合作目标抓捕即碎片抓捕的过程中,指爪型件收到冲击后振动从套杆机构传递到套筒机构上,液压组件通过伸缩完全吸收振动冲击的线冲量,液压扭簧组件通过收缩或拉伸吸收振动冲击的角冲量,从而抵消振动对本体航天器的影响。
Description
技术领域
本发明属于非合作目标抓捕清理领域技术领域,涉及一种具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构。
背景技术
与合作目标不同,由于非合作目标的运动特性以及本体特性参数未知。因此在抓捕过程中,由于存在相对运动,抓捕机构会受到冲击振动。而这种振动会直接传递到本体航天器,可能会导致航天器出现故障。
目前针对该问题,主要采用主动控制来解决。将在抓捕过程中对本体的产生的振动视为扰动,通过本体航天器的执行机构产生的作用力来抵消干扰力。主动振动控制方法存在以下的弊端:其一,主动振动抑制需要消耗燃料,无论是对振动力矩的主动控制抑制,还是对振动力的主动控制抑制,都需要本体航天器执行机构产生相反的力或者力矩来抵消,因此会消耗本体航天器的燃料。其二,由于执行机构的限制,主动振动抑制往往无法完全抵消本体航天器的振动扰动。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,该机构结构设计合理,在实施非合作目标抓捕过程中,能够吸收冲击振动的能量,减小冲击对主动航天器的扰动影响。
本发明是通过以下技术方案来实现:
本发明公开的一种具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,包括套杆机构以及设置在其下方的套筒机构;套杆机构包括套杆,套杆上设有底盘,在底盘上周向布设若干个用于抓捕非合作目标的指爪型件;
套筒机构设置在底盘下方且套设在套杆外部,套筒机构包括套筒,套杆通过和套杆一体的外伸杆套设在套筒内壁上,在套筒内壁上设有用于吸收振动冲击线冲量的液压组件,在套筒底部还设有用于吸收振动冲击角冲量的液压扭簧组件。
优选地,所述液压组件包括设置在套筒内壁上的若干个双向三级液压杆。
进一步优选地,所述的若干个双向三级液压杆呈两排且等距离均布于套筒内壁上。具体数目为8个,呈两排四列等距离布置。
优选地,所述液压扭簧组件包括沿套筒底壁径向布设的若干双向单级液压杆,若干双向单级液压杆的底部通过扭簧相连接。
进一步优选地,双向单级液压杆为3个,沿着套筒底壁的径向等间隔布设。
优选地,在底盘上周向分散布设若干铰接架,每个铰接架上铰接有一个指爪型件。
进一步优选地,铰接架的个数为3个,3个铰接架沿底盘的周向等角度均匀布设。
优选地,指爪型件包括上关节杆和下关节杆,上关节杆的一端和下关节杆的一端铰接,下关节杆的另一端与铰接架铰接。
进一步优选地,上关节杆和下关节杆的长度比为2:1。
进一步优选地,上关节杆和下关节杆张开角度为60度。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明公开了一种具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,该机构的铰接架上铰接有指爪型件,通过铰接的指爪型件便于灵活抓捕非合作目标,运转平稳,套杆机构和套筒机构连接形成一体,在非合作目标抓捕即碎片抓捕的过程中,指爪型件收到冲击后,振动从套杆机构传递到套筒机构上,套筒机构内壁的液压组件通过伸缩完全吸收振动冲击的线冲量;套筒机构底部的液压扭簧组件通过收缩或拉伸,吸收振动冲击的角冲量,从而抵消振动对本体航天器的影响。
进一步地,指爪型件包括上关节杆和下关节杆,上关节杆的一端和下关节杆的一端铰接,下关节杆的另一端与铰接架铰接,类似于人的手指,便于灵活抓取非合作目标、且安全可靠。
进一步地,上关节杆和下关节杆的长度比为2:1,便于构成较大外包络,利于采用外包络方法抓捕非合作目标。
进一步地,上关节杆和下关节杆张开度为60度,便于抓捕非合作目标。
进一步地,通过双向单级液压杆和相邻的两个双向单级液压杆之间设有的弹性件可大大减缓转动冲击,抑制轴向扭转的振动转动;进一步优选地,两个双向单级液压杆之间设有的弹性件为扭簧,通过扭簧收缩或拉伸,吸收振动冲击的角冲量,从而避免对主动抓捕航天器的扰动影响。
进一步地,双向单级液压杆的个数为3个,且依次沿着所述内底壁的径向间隙均匀布设。结构合理,便于将抓捕过程中产生的振动能量均匀充分吸收存储。
进一步地,双向三级液压杆的个数为8个,且呈两排四列对称布设,结构合理,便于将抓捕过程中产生的振动能量充分吸收存储。
进一步地,铰接架的个数为3个,且沿底盘的周向均匀分散布设,便于与指爪型件连接构成三指爪构型,在抓捕时形成外包络将非合作目标抓捕,且结构合理,利于抓捕。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的套杆机构示意图;
图3为本发明的套筒机构示意图;
图4为本发明的双向三级液压杆件示意图;
图5为本发明的套筒机构内壁液压组件分布示意图;
图6为本发明的双向单级液压杆件的结构示意图。
其中:1、上关节杆;2、下关节杆;3、铰接架;4、底盘;5、套杆;6、套筒;7、双向三级液压杆;8、双向单级液压杆;9、扭簧;10、外筒;11、活塞杆;12、阻尼阀;13、活塞;14、弹簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2,本发明公开的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,包括套杆机构,套杆机构包括套杆5,套杆5上固定设有底盘4,底盘4上设有若干铰接架3,且铰接架3沿底盘4的周向分散布设,每个铰接架3上分别铰接有一用于抓捕非合作目标的指爪型件,通过指抓型件便于灵活抓捕非合作目标,运转平稳;还包括设置在底盘4下方的套筒机构,套筒机构包括套筒6,套杆5通过和套杆一体的外伸杆套设在套筒6内壁上。套筒6的内壁上设有用于吸收振动冲击线冲量的液压组件,套筒6底部还设有用于吸收振动冲击角冲量的液压扭簧组件。使用时,将本发明装置的套筒机构与主动抓捕航天器的机械臂连接,当指爪型件受到冲击时,套筒机构内的液压组件通过伸缩吸收套杆机构振动冲击产生的能量,套筒机构底部的液压扭簧组件通过收缩或拉伸,吸收振动冲击的角冲量,从而抵消振动对本体航天器的影响,该被动方法不需要消耗任何能量,因此明显优于主动振动控制方法。
优选地,指爪型件包括上关节杆1和下关节杆2,上关节杆1的一端和下关节杆2的一端铰接,下关节杆2的另一端与铰接架铰接,似于人的手指,便于灵活抓取非合作目标、且安全可靠。上关节杆1和下关节杆2的长度比为2:1,便于构成大的外包络,利于抓捕多个非合作目标。上关节杆1和下关节杆2张开度为60度,便于抓捕非合作目标。
参见图5,液压扭簧组件包括分别设在套筒本体6的内底壁上的若干双向单级液压杆8,双向单级液压杆8依次沿着所述内底壁的径向间隙布设,相邻的两个双向单级液压杆件8之间设有弹性件,弹性件的两端分别与相邻的双向单级液压杆件8的底部连接,通过双向单级液压杆件8和弹性件可大大减缓转动冲击,抑制轴向扭转的振动转动;优选地,两个双向单级液压杆件8之间设有的弹性件为扭簧9,通过扭簧9收缩或拉伸,吸收振动冲击的角冲量,从而避免对主动抓捕航天器的扰动影响。
参见图6,双向单级液压杆8包括外筒10,外筒10的顶部设有活塞杆11,外筒10内部设有阻尼阀12,阻尼阀12的下方设有活塞13,活塞13的下方设有弹簧14,弹簧14的一端与活塞13的底部连接、另一端与外筒10的底部连接。其结构合理,能实现缓冲非合作目标抓捕过程中的振动冲击。
优选地,双向单级液压杆8的个数为3个,且依次沿着所述内底壁的径向间隙均匀布设,结构合理,便于将抓捕过程中产生的振动能量均匀充分吸收存储。
参见图3,液压组件包括设置在套筒6内侧壁上的若干双向三级液压杆7,其结构参见图4。使用时,通过双向三级液压杆7的伸长,其阻尼力增大,这样就大大减少了套杆机构抓捕振动的传递,起到振动减缓的作用,缓冲对主动抓捕航天器的扰动影响。双向三级液压杆7的个数为8个,且呈两排四列对称布设,结构合理,便于将抓捕过程中产生的振动能量充分吸收存储。
优选地,铰接架3的个数为3个,且沿底盘的周向均匀分散布设,便于与指爪型件连接构成三指爪构型,在抓捕时形成外包络将非合作目标抓捕,且结构合理,利于抓捕。
实施例1
本发明公开的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,包括套杆机构,套杆机构包括套杆5、底盘4、三个铰接架3和三个指爪型件,套杆5上设有底盘4,底盘4上设有三个铰接架3,三个铰接架3分别与三个指爪型件铰接,每个指爪型件包括上关节杆1和下关节杆2,上关节杆1和下关节杆2的长度比为2:1,上关节杆1和下关节杆2张开度为60度,上关节杆1的一端和下关节杆2的一端铰接,每个铰接架3均由底板和垂直设置的底板上的两个挡板围成,两个挡板相互平行设置,下关节杆2的另一端能嵌入铰接架3且两个挡板上分别开设有与下关节杆2的根部铰接的通孔;还包括设置在底盘4下方的套筒机构,套筒机构包括套筒6,套筒6的内侧壁上设有两排四列呈对称布置的双向三级液压杆7,套筒6的内底部上沿着径向设置有三根双向单级液压杆8,双向单级液压杆8包括外筒10,外筒10的顶部套设有活塞杆11,活塞杆11的下方设有阻尼阀12,阻尼阀12的下方设有活塞13,活塞13的下方设有弹簧14,弹簧14的一端与活塞13的底部连接、另一端与外筒10的底部连接;每相邻的两根双向单级液压杆8之间设置有扭簧9,扭簧9的两端分别与相邻的双向单级液压杆8的底部连接。
在实际非合作目标抓捕过程中,爪型机构(三指爪型件)受到冲击后,振动冲击从套杆结构传递到套筒机构上,套筒本体6内壁上设置的液压组件通过伸缩完全吸收振动冲击的线冲量;套筒本体6底部的液压扭簧组件通过收缩或拉伸,吸收振动冲击的角冲量;从而避免对主动抓捕航天器的扰动影响。下面将详细分析抓捕过程中振动吸收装置的作用原理。
(1)液压杆件减振的动力学模型
如图6所示,双向单级液压杆件由五部分组成,分别为活塞杆、外筒、阻尼阀、活塞以及弹簧组成。在此设定d是活塞杆直径,D是活塞直径,d0是节流孔直径。z是阻尼孔板的数量。根据小孔流量公式可知,通过孔板组的流量为,
上式中,C1为孔板数,C为孔板节流小孔流量系数;A0为孔板小孔面积;Δp为孔板组前后的压力差,Δp=p2-p1,p1,p2分别为孔板组后压力以及孔板组前压力。ρ为油液密度,z为孔板数。活塞杆进入外筒内所占体积应与流经阻尼阀孔板组的流量相等,则
Q=A2v (2)
由此可知,
由式(1),(2)和力平衡关系,可以得出阻尼力的表达式,
对于双向三级液压杆,每一段液压杆件的动力学以及阻尼力与双向单级液压杆的阻尼原理相同。假设双向三级液压杆的最大伸长长度为x1,x2,x3,半径比为由于面积不同,双向三级液压杆的阻尼系数有如下关系:
由式(5)可知,双向三级液压杆的阻尼力随着活塞长度的增加而阶跃性的增大。相比于传统的单液压构型,双向三级液压杆适用于更大的外界压力。这对于非合作目标抓捕过程中的振动冲击缓冲优势明显:双向三级液压杆不仅可应用于小型振动冲击缓冲任务,也能应用于大范围振动冲击缓冲任务。
(2)抓捕过程中的冲击振动抑制分析
在非合作目标抓捕过程中,非合作目标与抓捕机构存在相对运动。抓捕后,相对速度在很短的时间内减小为零;在这个过程中,航天器的抓捕机构(套杆机构)收到冲击振动,套筒机构的液压系统伸缩增大阻尼力,同时缓冲并吸收抓捕过程中的冲击振动;下面详细分析这个过程中的位置冲击缓冲和旋转冲击缓冲。
(a)振动平动动能传递的抑制分析
假设抓捕机构冲击振动的位置偏移量为P=[Px,Py,Pz],则双向三级液压杆的动力学方程为:
其中m为抓捕机构的质量,为航天器在三个轴向的阻尼系数。将公式(5)带式(6),即可求解出振动缓冲后位置偏移量。相比于单级液压杆件,三级液压杆件随着杆件伸长,其阻尼力增大,这样就大大减少了振动的传递,起到振动减缓的作用。
(b)振动转动传递的抑制分析
轴向扭转的振动转动抑制主要依靠扭簧实现,假定机构的转动惯量为I,转动角度为θ,则转动动力学方程为,
其中,为扭转过程中的阻尼系数,Kθ为扭簧的弹性系数,M为外界的力矩。求解式(7)可知抓捕非合作目标过程中,扭簧通过形变以及阻尼效应,可大大减缓转动冲击。
综上所述,该机构通过双向三级液压杆件以及扭簧的作用,可减缓抓捕过程中的冲击振动。
使用时,将本发明装置的套筒机构与主动抓捕航天器的机械臂连接,在非合作目标抓捕即碎片抓捕的过程中,指爪型件收到冲击后,振动从套杆机构传递到套筒机构上,套筒内壁的液压系统通过伸缩完全吸收振动冲击的线冲量;套筒底部的扭簧通过收缩或拉伸形变产生非线性阻尼,吸收振动冲击的角冲量;进而最大程度上吸收振动能量,减小非合作目标抓捕过程中的冲击对航天器的机械臂的振动影响,从而减弱或消除非合作目标抓捕过程中对抓捕航天器的振动作用与主动振动控制相比,该装置采用被动振动能量吸收的方法来消除振动,其过程中不消耗燃料,易于组装,能够实现非合作目标抓捕以及振动能量吸收。
Claims (10)
1.一种具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,包括套杆机构以及设置在其下方的套筒机构;套杆机构包括套杆(5),套杆(5)上设有底盘(4),在底盘(4)上周向布设若干个用于抓捕非合作目标的指爪型件;
套筒机构设置在底盘(4)下方且套设在套杆(5)外部,套筒机构包括套筒(6),套杆(5)通过和套杆一体的外伸杆套设在套筒(6)内壁上,在套筒(6)内壁上设有用于吸收振动冲击线冲量的液压组件,在套筒(6)底部还设有用于吸收振动冲击角冲量的液压扭簧组件。
2.根据权利要求1所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,所述液压组件包括设置在套筒(6)内壁上的若干个双向三级液压杆(7)。
3.根据权利要求2所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,所述的若干个双向三级液压杆(7)呈两排等距离均布于套筒(6)内壁上。
4.根据权利要求1所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,所述液压扭簧组件包括沿套筒(6)底壁径向布设的若干双向单级液压杆(8),若干双向单级液压杆(8)的底部通过扭簧(9)相连接。
5.根据权利要求4所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,双向单级液压杆(8)为3个,沿着套筒(6)底壁的径向等间隔布设。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,在底盘(4)上周向分散布设若干铰接架(3),每个铰接架(3)上铰接有一个指爪型件。
7.根据权利要求6所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,铰接架(3)的个数为3个,3个铰接架(3)沿底盘(4)的周向等角度均匀布设。
8.根据权利要求6所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,指爪型件包括上关节杆(1)和下关节杆(2),上关节杆(1)的一端和下关节杆(2)的一端铰接,下关节杆(2)的另一端与铰接架(3)铰接。
9.根据权利要求7所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,上关节杆(1)和下关节杆(2)的长度比为2:1。
10.根据权利要求7所述的具有冲击振动抑制功能的非合作目标抓捕机构,其特征在于,上关节杆(1)和下关节杆(2)张开角度为60度。
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CN117002755A (zh) * | 2023-08-03 | 2023-11-07 | 苏州三垣航天科技有限公司 | 一种空间运动目标抓捕网爪机构及其操控方法 |
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180807 |
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