CN108372940A - 一种具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪 - Google Patents

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马卫华
袁源
孙冲
万文娅
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    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
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Abstract

本发明公开了一种具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，属于非合作目标抓捕清理技术领域。包括爪型机构和用于减缓冲击的振动能量吸收机构；爪型机构由若干只指爪构成，每只指爪均由近节指杆和远节指杆铰接构成，铰接处形成关节部；振动能量吸收机构包括底座，在底座周向上均匀布设有若干个与指爪数量相同的铰接架，指爪的近节指杆与铰接架铰接；在每只指爪的关节部下方还设有一根刚性弹簧，刚性弹簧的另一端固定在底座上；抓捕时爪型机构能够形成抓捕非合作目标的外包络，当爪型机构受到冲击时，发生位移变化，刚性弹簧发生形变并在形变过程中吸收冲击的线动能和角动能。本发明结构设计合理，能够抓捕运动状态不确定的非合作目标。

Description

一种具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪
技术领域
本发明属于非合作目标抓捕清理技术领域，具体涉及一种具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪。
背景技术
由于外界扰动，大多数非合作目标在空间中漂浮自旋。与合作目标不同，非合作目标无法确定抓捕点，因此无法采用传统接触点方式抓捕。另外，主动抓捕机构和非合作目标之间存在相对运动，因此在抓捕时，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。目前针对振动抑制问题，主要采用主动控制来解决。将在抓捕过程中的振动冲击视为外界扰动，通过本体航天器主动控制来抵消干扰。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，还是对振动力的主动抑制，都需要本体航天器执行机构产生力或力矩来抵消，因此会消耗本体航天器燃料。其二，由于执行机构限制，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能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，该非合作目标抓捕网爪结构设计合理，能够抓捕运动状态不确定的非合作目标。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，包括爪型机构和用于减缓冲击的振动能量吸收机构；
爪型机构由若干只指爪构成，每只指爪均由近节指杆和远节指杆铰接构成，铰接处形成关节部；振动能量吸收机构包括底座，在底座周向上均匀布设有若干个与指爪数量相同的铰接架，指爪的近节指杆与铰接架铰接；在每只指爪的关节部下方还设有一根刚性弹簧，刚性弹簧的另一端固定在底座上；
抓捕时爪型机构能够形成抓捕非合作目标的外包络，当爪型机构受到冲击时，发生位移变化，刚性弹簧发生形变并在形变过程中吸收冲击的线动能和角动能。
优选地，近节指杆和远节指杆的长度比为1:2。
优选地，关节部张开的角度为60度。
优选地，在每只指爪的关节部下方设置用于悬挂刚性弹簧的挂环。
优选地，指爪的近节指杆与铰接架铰接为球铰链连接。
优选地，指爪的个数为3个。
优选地，针对三指爪型机构，设计能够形成抓捕非合作目标的外包络，实现抓捕所需的几何参数包括：底座直径d，远节指杆长度l1，近节指杆长度l2，刚性弹簧连接位置ls；
假设待抓捕的非合作目标为立方形，立方形边长为1，底座与该非合作目标位置平行；非合作目标在侧平面上投影的边长为1到1/cos(15°)，非合作目标与底座之间的安全空隙为h，则实现抓捕的近节指杆长度l2满足：
刚性弹簧连接位置ls低于：
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，包括爪型机构，每只指爪均由近节指杆和远节指杆铰接构成，在抓捕时，指爪能够形成固定外包络，约束限制非合作目标的运动，由于非合作目标抓捕过程中，主动航天器与抓捕目标之间存在相对运动，由于无法确定抓捕点，则无法采用传统抓捕点抓捕方法。而本发明形成的外包络构型直接约束非合作目标运动，因此可以在与非合作目标之间存在相对运动的条件下直接实施抓捕，即使无法确定非合作目标抓捕点亦可抓捕。同时，由于还设有用于减缓冲击的振动能量吸收机构，即由刚性弹簧组成的冲击减缓装置，当爪型机构受到冲击时，发生位移变化，刚性弹簧发生形变并在形变过程中吸收冲击的线动能和角动能。
优选地，近节指杆和远节指杆的长度比为1:2，便于构成大的外包络，利于抓捕多个非合作目标。
优选地，所述关节部张开的角度为60度，便于抓捕非合作目标。
优选地，与近节指杆的根部铰接为球铰链连接，便于灵活调整抓捕机构、且安全可靠。
优选地，指爪的个数为3个，构成三指爪型机构，结构合理，便于抓捕。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的爪型机构的结构示意图；
图3为本发明的振动能量吸收装置的结构示意图；
图4为非合作目标外形尺寸为立方体时三指爪型机构的指爪长度与空隙、底座直径的几何尺寸图；
图5为非合作目标外形尺寸为立方体时三指爪型机构的近节指杆长度和底座直径的尺寸关系图；
图6为非合作目标外形尺寸为立方体时三指爪型机构的近节指杆长度与底座直径、间隙的关系图；
图7为本发明结构的本体坐标系；
图8为本发明抓捕非合作目标过程中冲击扭转能量吸收示意图。
其中：1、近节指杆；2、远节指杆；3、底座；4、铰接架；5、刚性弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，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做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、图2和图3，本发明公开的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，包括爪型机构和用于减缓冲击的振动能量吸收机构；爪型机构由若干指爪构成，每只指爪均由近节指杆1和远节指杆2铰接构成，铰接处构成关节部，振动能量吸收机构包括底座3，在底座3周向上均匀布设有若干个与指爪数量相同的铰接架4，指爪的近节指杆1与铰接架4铰接；在每只指爪的关节部下方还设有一根刚性弹簧5，刚性弹簧5的另一端固定在底座3上；抓捕时爪型机构能够形成抓捕非合作目标的外包络，当爪型机构受到冲击时，发生位移变化，刚性弹簧5发生形变并在形变过程中吸收冲击的线动能和角动能。
在抓捕时，指爪能够形成固定外包络，约束限制非合作目标的运动，由于非合作目标抓捕过程中，主动航天器与抓捕目标之间存在相对运动，由于无法确定抓捕点，则无法采用传统抓捕点抓捕方法。而外包络构型直接约束非合作目标运动，因此可以在与非合作目标之间存在相对运动的条件下直接实施抓捕。
优选地，近节指杆和远节指杆的长度比为1:2，便于构成大的外包络，利于抓捕多个非合作目标；优选地，所述关节部张开的角度为60度，便于抓捕非合作目标。
优选地，与近节指杆1的根部铰接为球铰链连接，便于灵活调整抓捕机构、且安全可靠。
优选地，指爪的个数为3个，构成三指爪型机构，结构合理，便于抓捕。
优选地，在每只指爪的关节部下方设置用于悬挂刚性弹簧的挂环。
当指爪个数为3个时，在设计三指爪型机构的外包络几何尺寸时，需要确保两指之间的指缝不能使非合作目标逃脱。类似于人体的手指和手掌，非合作目标抓捕振动冲击能量吸收装置由两部分组成，一部分为抓捕机构(详见图2)，另一部分为振动吸收机构(详见图3)。在实际抓捕过程中，非合作目标对抓捕机构的振动和冲击会产传到振动抑制装置，而通过调整振动抑制机构的结构参数，最大程度增大装置的非线性阻尼，从而保证指爪不受到振动冲击的影响。下面将详细分析抓捕过程中振动吸收装置的作用原理。
(1)外包络抓捕几何尺寸设计
针对给出的三指爪型机构，需要设计的几何参数有，底座直径d，近节指杆长度l2，远节指杆长度l1，刚性弹簧连接位置ls。弹簧连接位置在此假定非合作目标为立方形，其外形尺寸为立方体。在设计抓捕外包络时，需要确定抓捕到非合作目标的最大外包络。如图4所示，基座与目标平行，网爪与目标在侧平面上的投影如图4，在此对长度无量纲化，假设立方形边长为1。目标在侧平面上投影的边长为1到1/cos(15°)，目标与底座之间有安全空隙h，在此基础上，实现抓捕的近节指杆长度l2需要在附近，远节指杆长度l1与近节相同。
为了不影响抓捕的空间，弹簧连接位置ls应低于指杆长度与基座直径d，安全空隙h的关系如图5以及图6。由此可知，基于抓捕的立方形尺寸可确定网爪几何尺寸。
(2)抓捕过程中冲击能量吸收动力学分析
非合作目标抓捕过程中，非合作目标会对抓捕机构产生冲击。该冲击会造成刚性弹簧的形变，该形变会吸收振动一部分能量。在此建立振动吸收装置的本体坐标系，如图7所示。假定非合作抓捕过程中的冲击造成的爪型机构关节部偏移量为其中Px,Py,Pz分别表示振动在X-Y-Z轴向产生的位置偏量；而表示冲击振动产生的绕X轴Y轴和Z轴的角度矢量。
在此通过算例阐明本装置所具有的振动抑制和能量吸收功能。
假定爪型机构水平固连弹簧的弹性系数为k1，其形变约束为：x∈[xp1,xp2]；关节部与固定件固连的弹簧的弹性系数为k2，其形变约束为x∈[xv1,xv2]。在此假定抓捕过程中产生的振动造成的振动完全被弹簧形变所吸收；水平弹簧产生位置偏量为Δxp，而垂直方向位置偏量为Δxv；则整个系统产生的形变势能为：
而整个系统最大的形变是能为
对于振动产生的角动量冲击，第一层机构也可起到能量吸收功能。角冲量形变如图8所示：
在此以单关节部扭转为例，给出振动造成的角冲量的振动抑制及能量吸收分析。假定初始状态爪型关节部在A点处，弹簧的初始长度分别为lb，而抓捕过程中，爪型关节部从A点扭转到B点，夹角为θ，两根弹簧形变后长度为la。在这个过程中，上下层弹簧形变吸收的能量为ΔE，
则可知，通过减震机构设计，振动过程中非合作目标和抓捕机构地之间的碰撞可以有效缓解。
由于非合作目标抓捕过程中，主动航天器与抓捕目标之间存在相对运动，由于无法确定抓捕点，则无法采用传统抓捕点抓捕方法。而外包络抓捕方法直接约束非合作目标运动，因此可以在与非合作目标之间存在相对运动的条件下直接实施抓捕。三指爪型机构受到冲击后，机构产生位移变化，进而弹簧受力发生形变。斜拉根弹簧在形变的过程中吸收冲击的线动能和角动能，可吸收抓捕过程中的冲击振动能量，抵消对本体航天器的影响，而且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。
综上所述，本发明的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，可构成固定空间包络，在无法确定抓捕点情况下即可对非合作目标进行抓捕。另外在抓捕碎片过程中，能最大程度上吸收振动能量，减小碎片抓捕对本体基座的振动影响。与主动振动控制相比，该装置采用被动振动能量吸收方法来消除振动，其过程不消耗燃料，易于组装，能够实现非合作目标抓捕以及振动能量吸收。

Claims (7)

1.一种具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，其特征在于，包括爪型机构和用于减缓冲击的振动能量吸收机构；
爪型机构由若干只指爪构成，每只指爪均由近节指杆(1)和远节指杆(2)铰接构成，铰接处形成关节部；振动能量吸收机构包括底座(3)，在底座(3)周向上均匀布设有若干个与指爪数量相同的铰接架(4)，指爪的近节指杆(1)与铰接架(4)铰接；在每只指爪的关节部下方还设有一根刚性弹簧(5)，刚性弹簧(5)的另一端固定在底座(3)上；
抓捕时爪型机构能够形成抓捕非合作目标的外包络，当爪型机构受到冲击时，发生位移变化，刚性弹簧(5)发生形变并在形变过程中吸收冲击的线动能和角动能。
2.根据权利要求1所述的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，其特征在于，近节指杆(1)和远节指杆(2)的长度比为1:2。
3.根据权利要求1所述的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，其特征在于，关节部张开的角度为60度。
4.根据权利要求1所述的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，其特征在于，在每只指爪的关节部下方设置用于悬挂刚性弹簧(5)的挂环。
5.根据权利要求1所述的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，其特征在于，指爪的近节指杆(1)与铰接架(4)铰接为球铰链连接。
6.根据权利要求1所述的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，其特征在于，指爪的个数为3个。
7.根据权利要求6所述的具有能量吸收功能的非合作目标抓捕网爪，其特征在于，针对三指爪型机构，设计能够形成抓捕非合作目标的外包络，实现抓捕所需的几何参数包括：底座直径d，远节指杆长度l1，近节指杆长度l2，刚性弹簧连接位置ls；
假设待抓捕的非合作目标为立方形，立方形边长为1，底座与该非合作目标位置平行；非合作目标在侧平面上投影的边长为1到1/cos(15°)，非合作目标与底座之间的安全空隙为h，则实现抓捕的近节指杆长度l2满足：
刚性弹簧连接位置ls低于：
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