CN108422411B - 可折展弯曲的空间桁架抓捕机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可折展弯曲的空间桁架抓捕系统，包括基座和安装在基座上的多个可折展弯曲的桁架机构，桁架机构包括N(N≥2)个依次相连的折展单元，折展单元包括两个相互平行设置的三角框，三角框包括一个辊轴和两个侧边；同一折展单元的两个平行侧边之间通过3R支链连接，两个平行辊轴之间通过剪叉机构连接；第n(2≤n≤N)个折展单元底部的三角框和第n‑1个折展单元顶部的三角框具有共同辊轴，第n个折展单元底部的两个侧边在弯曲驱动装置的驱动下绕共同辊轴转动，使得多个桁架机构相互靠拢；折展单元在安装于基座上的折展驱动装置的驱动下展开和折叠。本发明中，桁架机构可同时弯曲和折展，尤其适用于空间环境下大型非合作目标的抓取任务。

Description

可折展弯曲的空间桁架抓捕机构

技术领域

本发明涉及可折展机构技术领域，具体为一种可折展弯曲的空间桁架抓捕机构。

背景技术

随着人类发射的卫星越来越多，在空间轨道上的小到由人造卫星碎片、漆片、粉尘，大到整个飞船残骸等太空垃圾也越来越多，越来越威胁着正常卫星的运转，清除这些废旧卫星等太空垃圾的技术研究也越来越迫切。一方面，在空间环境下，一般的机械臂体积太大，难于由运载火箭入轨；另一方面，由于太空垃圾体积往往很大，传统空间机械臂难以进行大型太空垃圾的抓捕操作。

中国专利申请CN201310503724.3公开了一种绳网式空间碎片抓捕与清除系统，包括发射子系统和飞网子系统，发射子系统又包括发射器、网舱、网舱盖弹射装置、缓冲装置、系绳张力控制装置和系绳切割器，飞网子系统又包括绳网和质量块；网舱盖从网舱出口弹出，绳网在网舱盖的带动下从网舱拉出；在飞网和系绳拉直瞬间，发射器工作，四个质量块按照预设的发射张角带动绳网边飞出边张开并达到张满状态，到达目标位置后网住目标，质量块控制绳网收紧网口完成目标的捕获；系绳将捕获后的目标飞行器拉离轨道后，系绳切割器切断系绳将目标飞行器与卫星平台分离。

中国专利申请CN201510246317.8公开了一种六边形空间捕获绳网，包括六根等长的加强绳和六根等长的边线绳，六根加强绳的一端共同绳结后形成中心绳结，六根加强绳以中心绳结为中心点向外呈辐射状，相邻加强绳的另一端通过边线绳连接，且每条边线绳与加强绳的交汇点均引出一条牵拉绳，加强绳与边线绳转成的区域内均设置有一个以上的网目。

绳网抓捕系统抓捕目标对象时，需要绳网将目标对象完全包覆，不适于对大型目标的抓捕，且执行抓捕时绳网容易打结或缠绕，可控性差。因此，研制一种便于由运载火箭搭载入轨且适于抓捕空间大型非合作目标的抓捕系统变得非常紧迫和必要。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种适于抓捕大型太空目标、控制灵活、抓捕可靠性高且便于由运载火箭搭载入轨的抓捕系统。

为了实现上述主要目的，本发明提供了一种可折展弯曲的空间桁架抓捕系统，包括：

基座；

多个可折展弯曲的桁架机构，呈圆形阵列分布或相对设置地安装在基座上；其中，每一桁架机构均包括N(N≥2)个依次相连的折展单元，每一折展单元均包括两个相互平行设置的三角框，该三角框包括一个辊轴和两个侧边；同一折展单元的两个平行侧边之间通过3R支链(包括两根连接杆，两根连接杆的一端相互铰接，两根连接杆的另一端分别与同一折展单元的两个平行侧边铰接)连接，两个平行辊轴之间通过剪叉机构连接；

其中，第n(2≤n≤N)个折展单元底部的三角框和第n-1个折展单元顶部的三角框具有共同辊轴；共同辊轴上套设有不可滑动的双侧铰接固定座以及可滑动的双侧铰接滑动座，双侧铰接滑动座和双侧铰接固定座均包括可绕共同辊轴转动的中空内轴、设置在中空内轴内部两端的滑动轴承、设置在中空内轴外部两端的组合轴承、以及可转动地套设在组合轴承上的外轴；内轴与两个相邻剪叉机构中的一个铰接，外轴与两个相邻剪叉机构中的另一个铰接；

其中，第n-1个折展单元顶部的侧边和第n个折展单元底部的侧边之间设置有中间弯曲驱动装置，中间弯曲驱动装置驱动第n个折展单元底部的两个侧边绕共同辊轴转动，使得桁架机构朝基座内侧弯曲；

其中，第一个折展单元底部的辊轴上安装有不可滑动的单侧铰接固定座以及可滑动的单侧铰接滑动座，第一个折展单元中剪叉机构的底部固定端与单侧铰接固定座铰接，第一个折展单元中剪叉机构的底部活动端与单侧铰接滑动座铰接；

多个折展驱动装置，安装在基座上，并分别驱动单侧铰接滑动座沿第一个折展单元底部的辊轴滑动。

根据本发明的一种具体实施方式，中间弯曲驱动装置包括固定在电机座上的旋转电机、由旋转电机驱动的丝杠传动机构和连接构件，电机座与第n-1个折展单元顶部的侧边铰接，连接构件的一端与第n个折展单元底部的侧边铰接，连接构件的另一端与丝杠传动机构的丝杠螺母固定连接。

优选地，第一个折展单元底部的侧边和基座之间设置有底部弯曲驱动装置，底部弯曲驱动装置驱动第一个折展单元底部的两个侧边绕第一个折展单元底部的辊轴转动；其中，底部弯曲驱动装置包括固定在第二电机座上的第二旋转电机、由第二旋转电机驱动的第二丝杠传动机构和第二连接构件，第二电机座与基座铰接，第二连接构件的一端与第一个折展单元底部的侧边铰接，第二连接构件的另一端与第二丝杠传动机构的丝杠螺母固定连接。

根据本发明的另一具体实施方式，第n-1个折展单元顶部的侧边上设置有旋转电机，旋转电机和第n个折展单元底部的侧边之间通过传动机构连接，该转电机和传动机构构成中间弯曲驱动装置；传动机构包括主动构件和从动构件，主动构件的一端与旋转电机的动力输出轴固定连接，从动构件的一端与主动构件的另一端铰接，从动构件的另一端与第n个折展单元底部的侧边铰接。

优选地，第一个折展单元底部的侧边和基座之间设置有底部弯曲驱动装置，底部弯曲驱动装置驱动第一个折展单元底部的两个侧边绕第一个折展单元底部的辊轴转动；其中，底部弯曲驱动装置包括固定在基座上的第二旋转电机，第二旋转电机和第一个折展单元底部的侧边之间通过第二传动机构连接；第二传动机构包括第二主动构件和第二从动构件，第二主动构件的一端与第二旋转电机的动力输出轴固定连接，第二从动构件的一端与第二主动构件的另一端铰接，第二从动构件的另一端与第一个折展单元底部的侧边铰接。

本发明中，优选地，同一折展单元的两个平行侧边之间通过两条3R支链连接，该两条3R支链构成双平行四边形机构，以提高折展单元在展开状态下的稳定性。

根据本发明的再一具体实施方式，折展驱动装置包括安装在基座上的旋转电机和滚珠丝杠传动机构，单侧铰接滑动座与滚珠丝杠传动机构的丝杠螺母连接。可选择地，单侧铰接滑动座可以由液压或气压驱动装置驱动。

根据本发明的又一具体实施方式，基座包括总装基座和安装在总装基座上的多个机构基座，桁架机构和折展驱动装置均安装在机构基座上。

本发明中，从简化结构和保证抓捕效果的角度考虑，桁架机构的数量优选为三个，该三个桁架机构呈圆形阵列分布地安装在基座上。可选择地，抓捕系统包括两个相对设置的桁架机构。

本发明中，每个桁架机构中折展单元的数量可以根据需求而设置。优选地，每个桁架机构均包括2-5个依次相连的折展单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

既能折叠成很小的体积由运载火箭搭载入轨，在空间轨道环境中展开时又保持很大的刚度，桁架机构在弯曲的同时可在折展范围内任意地调节长度，非常灵活，可以像机械臂一样对抓捕目标施加稳定的抓握力，适于抓捕大型太空目标，且抓捕可靠性高，保证了空间目标抓取任务的顺利完成。另外，本发明的抓捕系统还可以用于工业生产中抓捕目标物。

为了更清楚地阐述本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明抓捕系统实施例1的立体结构图；

图2为本发明抓捕系统实施例1中桁架机构的立体结构图；

图3为本发明抓捕系统实施例1中双平行四边形机构的结构图；

图4为本发明抓捕系统实施例1中双侧铰接滑动座的立体图；

图5为图4所示双侧铰接滑动座的轴向侧视图；

图6为图5的A-A剖视图；

图7为本发明抓捕系统实施例1中桁架机构的部分立体结构图；

图8是本发明抓捕系统实施例2的立体结构图；

图9是本发明抓捕系统实施例2中桁架机构的部分立体结构图。

具体实施方式

抓捕系统实施例1

如图1所示，实施例1中的基座包括总装基座11和安装在总装基座11上的三个机构基座12，机构基座12具有基座三角框121。每个机构基座12上均安装有可折展弯曲的桁架机构2和折展驱动装置8；其中，折展驱动装置8用于驱动桁架机构2展开与折叠。图1中，一个桁架机构2处于完全展开且弯曲的状态，另外两个桁架机构2处于折叠状态。

每个桁架机构2均包括依次相连的N(N≥2)个折展单元，例如包括依次相连的第一折展单元21、第二折展单元22和第三折展单元23；其中，每一折展单元均包括两个相互平行设置的三角框，该三角框包括一个辊轴和两个侧边；同一折展单元的两个平行侧边之间通过双平行四边形机构31连接，同一折展单元两个平行辊轴之间通过剪叉机构32连接。

具体地，以图2中所示的第一折展单元21为例，第一折展单元21包括相互平行设置的底部三角框211和顶部三角框212，底部三角框211由依次首尾相连的辊轴2111、侧边2112和侧边2113组成，顶部三角框212由依次首尾相连的辊轴2121、侧边2122和侧边2123组成。辊轴2111和辊轴2121之间通过剪叉机构32连接，侧边2112和侧边2122之间以及侧边2113和侧边2123之间分别通过双平行四边形机构31连接。本发明中，底部和顶部是相对于其与基座的距离远近而言的，即底部比顶部更加靠近基座。

图3示出了双平行四边形机构31的具体结构。参见图3，双平行四边形机构31由竖杆311、312、313、314和横杆315构成；其中，竖杆311和312的一端分别与同一折展单元的两个平行侧边铰接，竖杆311和312的另一端分别与横杆315的一端铰接；竖杆313和314的一端分别与同一折展单元的两个平行侧边铰接，竖杆313和314的另一端分别与横杆315的另一端铰接。优选地，横杆315与竖杆311、312、313和314的铰接处安装有扭簧(图中未示出)，当双平行四边形机构31收缩时，该扭簧促使双平行四边形机构31朝收缩方向运动，避免双平行四边形机构31从死区位置收缩时发生卡死。

第n(2≤n≤N)个折展单元底部的三角框和第n-1个折展单元顶部的三角框具有共同辊轴；具体地，以图2中所示的第一折展单元21和第二折展单元22为例，第二折展单元22的底部三角框221由依次首尾相连的辊轴2121、侧边2211和侧边2212组成，即第二折展单元22底部的三角框221和第一折展单元21顶部的三角框具有共同的辊轴2121。

每个共同辊轴上均套设有双侧铰接固定座和双侧铰接滑动座；其中，共同辊轴上设置有阻止双侧铰接固定座滑动的限位结构，双侧铰接滑动座则设置为可沿共同辊轴滑动。具体地，以图2中所示的共同辊轴2121为例，共同辊轴2121上套设有不可滑动的双侧铰接固定座41以及可滑动的双侧铰接滑动座42。

图4-6示出了双侧铰接滑动座42的结构。参见图4-6所示，双侧铰接滑动座42包括可绕共同辊轴转动的中空内轴421、设置在中空内轴421内部两端的滑动轴承422、设置在中空内轴外部两端的组合轴承423、可转动地套设在组合轴承423上的外轴424和设置在双侧铰接滑动座42轴向两端的端盖425。外轴424具有径向凸出的外轴凸耳4241，内轴421具有径向凸出至外轴424外部的外轴凸耳4211，内轴凸耳4211和外轴凸耳4241分别与两个相邻剪叉机构的底部活动端和顶部活动端铰接；具体地，以图2中共同辊轴2121上所套设的双侧铰接滑动座42为例，内轴通过其凸耳与第二折展单元22中的剪叉机构的底部活动端铰接，外轴通过其凸耳与第一折展单元21中的剪叉机构的顶部活动端铰接。双侧铰接固定座41具有与双侧铰接滑动座42相同的结构，其内轴和外轴分别与两个相邻剪叉机构的底部固定端和顶部固定端铰接。

第n-1个折展单元顶部的侧边和第n个折展单元底部的侧边之间设置有中间弯曲驱动装置，中间弯曲驱动装置驱动第n个折展单元底部的两个侧边绕共同辊轴转动(即第n至N个折展单元绕该共同辊轴转动)，使得桁架机构2朝基座内侧弯曲，以实现对抓捕目标的夹紧。图7是桁架机构2的局部结构图，为清楚表达，其中仅示出了第一折展单元21和第二折展单元22。

以图7所示第一折展单元21顶部的侧边和第二折展单元22底部的侧边之间所设置的中间弯曲驱动装置5为例，中间弯曲驱动装置5包括固定在电机座51上的旋转电机52、由旋转电机52驱动的丝杠传动机构53和连接构件54，电机座51与第一折展单元21顶部的侧边2122和/或侧边2123铰接，连接构件54的一端与第二折展单元22底部的侧边2211和/或侧边2212铰接，连接构件54的另一端与丝杠传动机构53的丝杠螺母531固定连接。当旋转电机52工作时，第二折展单元22底部的侧边2211和2212绕共同辊轴2121转动，即第二折展单元22和第三折展单元23绕共同辊轴2121转动。

基座三角框121由依次首尾相连的辊轴2111、侧边1211和侧边1212组成，第一折展单元21底部的侧边2112和/或侧边2113与基座三角框121的侧边1211和/或侧边1212之间设置有底部弯曲驱动装置6，底部弯曲驱动装置6驱动第一折展单元21底部的侧边2112和侧边2113绕第一折展单元21底部的辊轴2111转动(即桁架机构2绕辊轴2111转动)。具体地，底部弯曲驱动装置6包括固定在电机座61上的旋转电机62、由旋转电机62驱动的丝杠传动机构63和连接构件64，电机座61与基座三角框121的侧边1211和/或侧边1212铰接，连接构件64的一端与第一折展单元21底部的侧边2112和/或侧边2113铰接，连接构件64的另一端与丝杠传动机构63的丝杠螺母631固定连接。

继续参见图7，第一折展单元21底部的辊轴2111上可转动地套设有不可滑动的单侧铰接固定座71以及可滑动的单侧铰接滑动座72，第一折展单元21中剪叉机构的底部固定端与单侧铰接固定座71铰接，第一个折展单元21中剪叉机构的底部活动端与单侧铰接滑动座72铰接。

折展驱动装置8包括安装在机构基座12上的旋转电机81和滚珠丝杠传动机构82，滚珠丝杠传动机构82的丝杠螺母821与单侧铰接滑动座72连接，以驱动单侧铰接滑动座72沿第一折展单元21底部的辊轴2111滑动，从而实现剪叉机构的伸展和收缩。由于相邻折展单元中的剪叉机构之间通过双侧铰接固定座和双侧铰接滑动座连接，因此第一折展单元21中剪叉机构的伸展和收缩可以带动其他折展单元中剪叉机构的伸展和收缩，从而实现同一桁架机构中各个折展单元的同步展开和折叠。

本实施例的工作原理如下：首先，折展驱动装置带动剪叉机构伸展，在折展单元中的两组双平行四边形机构与剪叉机构的共同作用下，同一折展单元的上下三角框始终保持平行，且在剪叉机构伸展到最高时，双平行四边形机构临近死点，对折展单元起到一定的支撑作用；接着，中间弯曲驱动装置(和底部弯曲驱动装置)驱动桁架机构朝基座内侧弯曲，使得三个桁架机构相互靠拢抓取目标；之后，折展驱动装置带动折展单元收缩，在此过程中桁架机构保持弯曲但其长度变短，在抱紧抓取目标的同时缩回，从而达到锁定并收回抓取目标的目的。

抓捕系统实施例2

实施例2与实施例1的区别仅在于其中间弯曲驱动装置和底部弯曲驱动装置的不同，故以下仅对实施例2与实施例1的区别之处进行说明。

实施例2中，第n-1个折展单元顶部的侧边上设置有旋转电机，该旋转电机和第n个折展单元底部的侧边之间通过传动机构连接，该旋转电机和传动机构构成中间弯曲驱动装置；传动机构包括主动构件和从动构件，主动构件的一端与该旋转电机的动力输出轴固定连接，从动构件的一端与主动构件的另一端铰接，从动构件的另一端与第n个折展单元底部的侧边铰接。

具体地，以图9中第一折展单元21和第二折展单元22之间的中间弯曲驱动装置为例进行说明。如图9所示，该中间弯曲驱动装置包括固定在第一折展单元21顶部侧边2123上的旋转电机161以及由主动构件162和从动构件163所组成的传动机构；其中，主动构件162的一端与旋转电机161的动力输出轴固定连接，从动构件163的一端与主动构件162的另一端铰接，从动构件163的另一端与第二折展单元22底部的侧边2212铰接。优选地，第一折展单元21顶部侧边2122和第二折展单元22的底部侧边2211之间设置有与传动机构对称设置的连接机构，该连接机构包括连接杆164和连接杆165，连接杆164的一端与第二折展单元22的底部侧边2211铰接，连接杆165的一端与第一折展单元21的顶部侧边2122铰接，连接杆164和连接杆165之间相互铰接。

实施例2中，第一折展单元21底部的侧边和基座之间设置有底部弯曲驱动装置，该底部弯曲驱动装置驱动第一折展单元21底部的侧边2112和侧边2113绕第一折展单元21底部的辊轴2111转动。具体地，如图9所示，该底部弯曲驱动装置包括固定在基座三角框121的侧边1212上的旋转电机261，旋转电机261和第一折展单元21底部的侧边2113之间通过第二传动机构连接，第二传动机构包括主动构件262和从动构件263，主动构件262的一端与旋转电机261的动力输出轴固定连接，从动构件263的一端与主动构件262的另一端铰接，从动构件263的另一端与第一折展单元21底部的侧边2113铰接。优选地，第一折展单元21底部侧边2112和基座三角框121的侧边1211之间设置有与第二传动机构对称设置的连接机构，该连接机构包括连接杆264和连接杆265，连接杆264的一端与第一折展单元21的底部侧边2112铰接，连接杆265的一端与第一基座三角框121的侧边1211铰接，连接杆264和连接杆265之间相互铰接。

虽然以上通过优选实施例描绘了本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明的发明范围内，凡依照本发明所作的同等改进，应为本发明的保护范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种可折展弯曲的空间桁架抓捕系统，包括：

基座；

多个可折展弯曲的桁架机构，呈圆形阵列分布或相对设置地安装在所述基座上；其中，每一所述桁架机构均包括N个依次相连的折展单元，每一所述折展单元均包括两个相互平行设置的三角框，所述三角框包括一个辊轴和两个侧边；同一折展单元的两个平行侧边之间通过3R支链连接，两个平行辊轴之间通过剪叉机构连接；并且其中，N≥2；

其中，第n个折展单元底部的三角框和第n-1个折展单元顶部的三角框具有共同辊轴；所述共同辊轴上套设有不可滑动的双侧铰接固定座以及可滑动的双侧铰接滑动座，所述双侧铰接滑动座和所述双侧铰接固定座均包括可绕所述共同辊轴转动的中空内轴、设置在所述中空内轴内部两端的滑动轴承、设置在所述中空内轴外部两端的组合轴承、以及可转动地套设在所述组合轴承上的外轴；所述内轴与两个相邻剪叉机构中的一个铰接，所述外轴与两个相邻剪叉机构中的另一个铰接；并且其中，2≤n≤N；

其中，第n-1个折展单元顶部的侧边和第n个折展单元底部的侧边之间设置有中间弯曲驱动装置，所述中间弯曲驱动装置驱动第n个折展单元底部的两个侧边绕所述共同辊轴转动，使得所述桁架机构朝所述基座内侧弯曲；

其中，第一个折展单元底部的辊轴上安装有不可滑动的单侧铰接固定座以及可滑动的单侧铰接滑动座，所述第一个折展单元中剪叉机构的底部固定端与所述单侧铰接固定座铰接，所述第一个折展单元中剪叉机构的底部活动端与所述单侧铰接滑动座铰接；

多个折展驱动装置，安装在所述基座上，并分别驱动所述单侧铰接滑动座沿所述第一个折展单元底部的辊轴滑动。

2.根据权利要求1所述的空间桁架抓捕系统，其中，所述中间弯曲驱动装置包括固定在电机座上的旋转电机、由所述旋转电机驱动的丝杠传动机构和连接构件，所述电机座与第n-1个折展单元顶部的侧边铰接，所述连接构件的一端与第n个折展单元底部的侧边铰接，所述连接构件的另一端与所述丝杠传动机构的丝杠螺母固定连接。

3.根据权利要求2所述的空间桁架抓捕系统，其中，所述第一个折展单元底部的侧边和所述基座之间设置有底部弯曲驱动装置，所述底部弯曲驱动装置驱动所述第一个折展单元底部的两个侧边绕所述第一个折展单元底部的辊轴转动；并且其中，所述底部弯曲驱动装置包括固定在第二电机座上的第二旋转电机、由所述第二旋转电机驱动的第二丝杠传动机构和第二连接构件，所述第二电机座与所述基座铰接，所述第二连接构件的一端与所述第一个折展单元底部的侧边铰接，所述第二连接构件的另一端与所述第二丝杠传动机构的丝杠螺母固定连接。

4.根据权利要求1所述的空间桁架抓捕系统，其中，第n-1个折展单元顶部的侧边上设置有旋转电机，所述旋转电机和第n个折展单元底部的侧边之间通过传动机构连接，所述旋转电机和所述传动机构构成所述中间弯曲驱动装置；所述传动机构包括主动构件和从动构件，所述主动构件的一端与所述旋转电机的动力输出轴固定连接，所述从动构件的一端与所述主动构件的另一端铰接，所述从动构件的另一端与第n个折展单元底部的侧边铰接。

5.根据权利要求4所述的空间桁架抓捕系统，其中，所述第一个折展单元底部的侧边和所述基座之间设置有底部弯曲驱动装置，所述底部弯曲驱动装置驱动所述第一个折展单元底部的两个侧边绕所述第一个折展单元底部的辊轴转动；并且其中，所述底部弯曲驱动装置包括固定在所述基座上的第二旋转电机，所述第二旋转电机和所述第一个折展单元底部的侧边之间通过第二传动机构连接；所述第二传动机构包括第二主动构件和第二从动构件，所述第二主动构件的一端与所述第二旋转电机的动力输出轴固定连接，所述第二从动构件的一端与所述第二主动构件的另一端铰接，所述第二从动构件的另一端与所述第一个折展单元底部的侧边铰接。

6.根据权利要求1所述的空间桁架抓捕系统，其中，同一折展单元的两个平行侧边之间通过两条3R支链连接，所述两条3R支链构成双平行四边形机构。

7.根据权利要求1所述的空间桁架抓捕系统，其中，所述折展驱动装置包括安装在所述基座上的旋转电机和滚珠丝杠传动机构，所述单侧铰接滑动座与所述滚珠丝杠传动机构的丝杠螺母连接。

8.根据权利要求1所述的空间桁架抓捕系统，其中，所述基座包括总装基座和安装在所述总装基座上的多个机构基座，所述桁架机构和所述折展驱动装置均安装在所述机构基座上。

9.根据权利要求1所述的空间桁架抓捕系统，其中，所述桁架机构的数量为三个，该三个桁架机构呈圆形阵列分布地安装在所述基座上。

10.根据权利要求1所述的空间桁架抓捕系统，其中，每个所述桁架机构均包括2-5个依次相连的折展单元。