CN108516112B - 一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构。现有捕获机构对捕获目标的尺寸和形状适应性不强。本发明的螺母驱动板和伸展平台分别与变螺距丝杆的第一螺纹和第二螺纹构成螺旋副；螺母驱动板设有衔铁，伸展平台设有电磁铁和行程开关；机械臂驱动板与螺母驱动板通过柔性连接部件连接；三个五杆式机械臂本体沿周向均布且连接在机械臂驱动板上；五杆式机械臂本体中的第三连杆可与扭簧配合转变为欠驱动机构；三个五杆式机械臂本体上均连接有机械臂末端执行机构；缓冲导向机构位于三个五杆式机械臂本体所均布圆周的中心处。本发明采用单一动力源实现三个机械臂展开，具有多自由度，能灵活适应不同尺寸、形状的目标卫星喷管。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间捕获机构，具体涉及一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构。
背景技术
空间对接捕获技术在航天领域的应用不断扩大。非合作目标空间对接捕获技术的特点是抓捕目标具有非合作性，对接所需的相关参数均未知，这导致其相关技术难度很大。
目前采用的对接捕获机构均为单自由度机构，其操作轨迹相对固定，且对捕获目标自适应性不强，易造成捕获失败。因此，提出一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构，该捕获机构可对不同形状、尺寸的目标进行有效抓取和捕获。
本发明包括机构承载筒、伸展机构、欠驱动机械臂、缓冲导向平台、机械臂末端执行机构、驱动电机和机械臂折展机构。所述的伸展机构包括变螺距丝杆、导向柱、伸展平台和螺母驱动板；所述的伸展平台包括传动平台和支撑平台，并通过沿周向均布的多块支板固定；螺母驱动板设置在传动平台外端和支撑平台内端位置；缓冲导向平台设置在支撑平台外端；变螺距丝杆和两根导向柱沿周向均布，且均穿过传动平台、螺母驱动板及支撑平台；导向柱一端与机构承载筒的底座固定，另一端悬臂；变螺距丝杆一端通过两个滚动轴承支承在轴承端盖上，轴承端盖固定在机构承载筒底座上，变螺距丝杆另一端悬臂；所述变螺距丝杆的两端分别设置第一螺纹和第二螺纹，中部为光轴段；第一螺纹螺距为第二螺纹螺距的2倍；传动平台底部固定有两个导套和一个导向螺母，两个导套与两个导向柱分别构成滑动副，导向螺母与变螺距丝杆的第二螺纹构成螺旋副；传动平台外端固定设有电磁铁，螺母驱动板内端固定设有衔铁；初始状态下，电磁铁通电吸合衔铁，螺母驱动板的螺纹孔位于变螺距丝杆的光轴段，该螺纹孔的螺距等于第一螺纹的螺距。行程开关设置在支板上，且位于第一螺纹与第二螺纹之间，与第一螺纹的轴向间距等于螺母驱动板的厚度。变螺距丝杆与驱动电机的输出轴通过联轴器连接，驱动电机和电磁铁均由控制器控制，行程开关输出信号传至控制器。
所述的机械臂折展机构包括机械臂驱动板和五杆式机械臂本体；机械臂驱动板与螺母驱动板通过柔性连接部件连接；所述的柔性连接部件包括螺栓、柔性部件螺母和第一缓冲弹簧；机械臂驱动板设置在螺母驱动板和支撑平台之间；机械臂驱动板开设的通孔与螺母驱动板开设的通孔通过螺栓连接，该螺栓尾部连接的柔性部件螺母压紧机械臂驱动板，第一缓冲弹簧套置在该螺栓上，且第一缓冲弹簧两端分别与机械臂驱动板和螺母驱动板相对的侧面接触；三个五杆式机械臂本体沿周向均布；所述的五杆式机械臂本体包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆；第一连杆一端与机械臂驱动板通过销轴连接，另一端与第二连杆一端通过销轴连接；第二连杆的杆长方向在机械臂驱动板上的投影沿机械臂驱动板的径向布置；第二连杆另一端与第四连杆一端通过销轴连接；第四连杆另一端与第五连杆一端通过销轴连接；第五连杆另一端与第三连杆一端通过销轴连接；第三连杆另一端及第二连杆中部均与支撑平台通过销轴连接；第二连杆与第三连杆之间通过欠驱动机械臂连接；三个五杆式机械臂本体的第五连杆上均连接有机械臂末端执行机构。
所述的欠驱动机械臂包括中心轴固定件、扭簧、挡板和扭簧中心轴；所述挡板的横臂与第二连杆固定，立臂支撑第三连杆；第二连杆上固定中心轴固定件；挡板、第三连杆和中心轴固定件沿机械臂驱动板的径向由内至外依次布置；扭簧中心轴固定在中心轴固定件上；扭簧套在扭簧中心轴上，两端分别由第二连杆和第三连杆支撑。
所述的机械臂末端执行机构包括辊子和连接件；固定在连接件尾端的螺杆与第五连杆通过螺纹连接；辊子铰接在连接件头端；三个机械臂末端执行机构的辊子沿周向分布。
所述的机构承载筒包括支柱、底座和圆环，底座和圆环通过沿周向均布的六根支柱固定。
所述第一螺纹螺距是第二螺纹螺距的2倍。
所述挡板的两臂夹角为60°。
所述辊子外套置减振套。
所述的缓冲导向平台包括缓冲导向头、缓冲导向柱、缓冲平台和第二缓冲弹簧；所述的第二缓冲弹簧一端固定在支撑平台中心轴线处的外端圆筒内，另一端与缓冲平台的内端圆筒固定；支撑平台的外端圆筒外径与缓冲平台的内端圆筒内径相等；缓冲导向柱一端通过四个螺栓固定在缓冲平台外端，另一端与缓冲导向头的螺纹孔通过螺纹连接；缓冲导向头的头部制成仿抛物面形。
所述缓冲导向头的侧面设有沿周向均布的三个平面，与三片导向弹簧片的一端均通过螺钉连接；三片导向弹簧片的另一端均通过弹簧片固定件固定在缓冲平台外端。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1、基于扭簧的欠驱动式机械臂具有多自由度，能够灵活地适应不同尺寸、形状的目标卫星喷管，具有应用范围广、捕获范围大、控制简单、捕获速度快、可缓冲吸振的特点，且用单一动力源实现所有一系列动作。
2、采用变螺距丝杆的不同螺距实现板与板之间的差速，从而实现机械臂的展开和闭合，结构简单、实用，易于操作。
3、缓冲导向平台集引导和减振两项功能，仿抛物面形的头部可以引导目标卫星喷管接近本发明的中心轴线，并自动纠正二者偏差，导向弹簧片和第二缓冲弹簧可以有效减轻对接过程产生的振动。
4、三个机械臂末端执行机构形成的夹紧力具有较高的可靠性，可以有效防止目标卫星喷管逃逸。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明中伸展机构与机构承载筒的装配示意图；
图3是本发明中机械臂折展机构与欠驱动机械臂的装配示意图；
图4是本发明中机械臂末端执行机构的装配示意图；
图5是本发明中缓冲导向平台的示意图；
图6(a)、图6(b)分别是本发明中机械臂折展机构在展开和折叠状态下的机构简图。
图中：1、机构承载筒，2、伸展机构，3、欠驱动机械臂，4、缓冲导向平台，5、机械臂末端执行机构，6、变螺距丝杆，7、机械臂折展机构，8、导向柱，9、导套，10、伸展平台，11、螺母驱动板，12、导向螺母，13、轴承端盖，14、柔性连接部件，15、中心轴固定件，16、扭簧，17、挡板，18、第五连杆，19、第四连杆，20、第三连杆，21、扭簧中心轴，22、销轴，23、第二连杆，24、第一连杆，25、机械臂驱动板，26、辊子，27、连接件，28、弹簧片固定件，29、缓冲导向柱，30、缓冲导向头，31、导向弹簧片，32、缓冲平台，33、第二缓冲弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构，包括机构承载筒1、伸展机构2、欠驱动机械臂3、缓冲导向平台4、机械臂末端执行机构5、驱动电机和机械臂折展机构7；机构承载筒1用于承载伸展机构2，为仿鸟笼形，包括支柱、底座和圆环，底座和圆环通过沿周向均布的六根支柱固定；驱动电机设置在本体卫星上，驱动伸展机构2；机械臂折展机构7的三个五杆式机械臂本体沿周向均布在伸展机构2外端，且由伸展机构2同步驱动；五杆式机械臂本体末端设置机械臂末端执行机构5；五杆式机械臂本体上还设置欠驱动机械臂3；缓冲导向机构4设置在伸展机构2外端，且位于三个五杆式机械臂本体所均布圆周的中心处。
如图2所示，伸展机构2包括变螺距丝杆6、导向柱8、伸展平台10和螺母驱动板11；伸展平台10包括传动平台和支撑平台；传动平台和支撑平台通过沿周向均布的三块支板固定；螺母驱动板11设置在传动平台外端和支撑平台内端位置；变螺距丝杆6和两根导向柱8沿周向均布，且均穿过传动平台、螺母驱动板11及支撑平台；导向柱8一端通过轴肩抵靠在底座上，且轴肩与底座通过四个螺栓固定，导向柱8另一端悬臂；变螺距丝杆6一端通过两个滚动轴承支承在轴承端盖13上，轴承端盖13通过螺栓固定在底座上，变螺距丝杆6另一端悬臂；变螺距丝杆6的两端分别设置第一螺纹和第二螺纹，中部为光轴段；第一螺纹螺距是第二螺纹螺距p的2倍；传动平台底部通过螺栓连接有两个导套9和一个导向螺母12，两个导套9与两个导向柱8分别构成滑动副，导向螺母12与变螺距丝杆6的第二螺纹构成螺旋副；传动平台外端固定设有电磁铁，螺母驱动板11内端固定设有衔铁；初始状态下，电磁铁通电吸合衔铁，螺母驱动板11的螺纹孔位于变螺距丝杆6的光轴段，该螺纹孔的螺距等于第一螺纹的螺距。行程开关设置在支板上，且位于第一螺纹与第二螺纹之间，与第一螺纹的轴向间距等于螺母驱动板11的厚度。变螺距丝杆6与驱动电机的输出轴通过联轴器连接，驱动电机和电磁铁均由控制器控制，行程开关的输出信号传至控制器。
如图3所示，机械臂折展机构7包括机械臂驱动板25和五杆式机械臂本体；机械臂驱动板25与螺母驱动板11通过柔性连接部件14连接；柔性连接部件14包括螺栓、柔性部件螺母和第一缓冲弹簧；机械臂驱动板25设置在螺母驱动板11和支撑平台之间；机械臂驱动板25开设的通孔与螺母驱动板11开设的通孔通过螺栓连接，该螺栓尾部连接的柔性部件螺母压紧机械臂驱动板25，第一缓冲弹簧套置在该螺栓上，且第一缓冲弹簧两端分别与机械臂驱动板25和螺母驱动板11相对的侧面接触；三个五杆式机械臂本体沿周向均布；五杆式机械臂本体包括第一连杆24、第二连杆23、第三连杆20、第四连杆19和第五连杆18；第一连杆24一端与机械臂驱动板25通过销轴22连接，另一端与第二连杆23一端通过销轴22连接；第二连杆23的杆长方向在机械臂驱动板上的投影沿机械臂驱动板25的径向布置；第二连杆23另一端与第四连杆19一端通过销轴22连接；第四连杆19另一端与第五连杆18一端通过销轴22连接；第五连杆18另一端与第三连杆20一端通过销轴22连接；第三连杆20另一端及第二连杆23中部均与支撑平台通过销轴22连接；第二连杆23与第三连杆20之间通过欠驱动机械臂3连接；三个五杆式机械臂本体的第五连杆18上均连接有机械臂末端执行机构5。
如图1和3所示，欠驱动机械臂3包括中心轴固定件15、扭簧16、挡板17和扭簧中心轴21；挡板17的两个臂夹角为60°，一个臂与第二连杆23固定，另一个臂支撑第三连杆20；第二连杆23通过螺栓固定中心轴固定件15；挡板17、第三连杆20和中心轴固定件15沿机械臂驱动板25的径向由内至外依次布置；扭簧中心轴21固定(通过轴和孔之间的过盈配合)在中心轴固定件15上；扭簧16套在扭簧中心轴21上，两端分别抵住第二连杆23和第三连杆20。
如图4所示，机械臂末端执行机构5包括辊子26和连接件27；固定在连接件27尾端的螺杆与第五连杆18通过螺纹连接；辊子26连接在连接件27头端；辊子26外套置减振套，以减轻振动。三个机械臂末端执行机构5的辊子26沿周向分布，同步收拢时牢靠夹紧目标。
如图5所示，缓冲导向平台4包括缓冲导向头30、缓冲导向柱29、缓冲平台32、导向弹簧片31、第二缓冲弹簧33和弹簧片固定件28；第二缓冲弹簧33一端固定在支撑平台中心轴线处的外端圆筒内，另一端与缓冲平台32的内端圆筒固定；支撑平台的外端圆筒外径与缓冲平台32的内端圆筒内径相等，通过第二缓冲弹簧33的连接实现柔性嵌套；缓冲导向柱29一端通过四个螺栓固定在缓冲平台32外端，另一端与缓冲导向头30的螺纹孔通过螺纹连接；缓冲导向头30的头部制成仿抛物面形；缓冲导向头30的侧面设有沿周向均布的三个平面，与三片导向弹簧片31的一端均通过螺钉连接；三片导向弹簧片31的另一端均通过弹簧片固定件28固定在缓冲平台外端。
如图6(a)和6(b)所示，该自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构，工作原理如下：
需要捕获目标时，控制器控制驱动电机M正转，伸展平台10沿变螺距丝杆6向外端移动，此时螺母驱动板11随伸展平台10同步移动；待螺母驱动板11第一次触碰行程开关时，电磁铁延时时间k后断电，k＝r/n，r＝b/L。其中，r为螺母驱动板11的位移等于螺母驱动板11的厚度b时变螺距丝杆需转动的圈数，n为驱动电机的正转转速，L为变螺距丝杆的第二螺纹螺距；电磁铁断电后，由于第一螺纹的螺距大于第二螺纹的螺距，螺母驱动板11的移动速度大于伸展平台10，机械臂驱动板25的移动速度也大于伸展平台10；机械臂驱动板25带动第一连杆24，进而带动第二连杆23、第三连杆20和第四连杆19，使得第五连杆18沿机械臂驱动板25径向朝外展开；展开时由于扭簧16的作用，第三连杆20始终紧贴挡板17(此时第三连杆20属于单自由度状态)，三个机械臂折展机构7实现逐步包络目标；缓冲导向平台4避免与目标(卫星喷管)的刚性碰撞，即导向弹簧片31起到柔性缓冲作用。当目标被完全包络时，控制器控制电机反转，螺母驱动板11连同机械臂驱动板25一起向内端移动，三个机械臂折展机构7的第五连杆18均沿机械臂驱动板25朝内径向收拢(此时第三连杆20及扭簧16配合转变为欠驱动机构，可以在接触目标时由于受力而转动一定角度，在目标外壁不是圆形时也可以实现对形状自适应，进而使三个机械臂折展机构7能可靠地夹紧目标)；当螺母驱动板11向内端移动到第二次触碰行程开关时，电磁铁通电与衔铁吸合，螺母驱动板11与伸展平台10固连，此时暂时使驱动电机停转，等待第一缓冲弹簧不再震荡时，驱动电机继续反转，螺母驱动板11与伸展平台10同步向内端移动，直至三个机械臂折展机构7的第五连杆18夹紧目标后使驱动电机停转，实现捕获目标功能。
Claims (3)
1.一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构，包括机构承载筒、伸展机构、欠驱动机械臂、缓冲导向平台、机械臂末端执行机构、驱动电机和机械臂折展机构，其特征在于：所述的伸展机构包括变螺距丝杆、导向柱、伸展平台和螺母驱动板；所述的伸展平台包括传动平台和支撑平台，并通过沿周向均布的多块支板固定；螺母驱动板设置在传动平台外端和支撑平台内端位置；缓冲导向平台设置在支撑平台外端；变螺距丝杆和两根导向柱沿周向均布，且均穿过传动平台、螺母驱动板及支撑平台；导向柱一端与机构承载筒的底座固定，另一端悬臂；变螺距丝杆一端通过两个滚动轴承支承在轴承端盖上，轴承端盖固定在机构承载筒底座上，变螺距丝杆另一端悬臂；所述变螺距丝杆的两端分别设置第一螺纹和第二螺纹，中部为光轴段；第一螺纹螺距为第二螺纹螺距2倍；传动平台底部固定有两个导套和一个导向螺母，两个导套与两个导向柱分别构成滑动副，导向螺母与变螺距丝杆的第二螺纹构成螺旋副；传动平台外端固定设有电磁铁，螺母驱动板内端固定设有衔铁；初始状态下，电磁铁通电吸合衔铁，螺母驱动板的螺纹孔位于变螺距丝杆的光轴段，该螺纹孔的螺距等于第一螺纹的螺距；行程开关设置在支板上，且位于第一螺纹与第二螺纹之间，与第一螺纹的轴向间距等于螺母驱动板的高度；变螺距丝杆与驱动电机的输出轴通过联轴器连接，驱动电机和电磁铁均由控制器控制，行程开关输出信号传至控制器；
所述的机械臂折展机构包括机械臂驱动板和五杆式机械臂本体；机械臂驱动板与螺母驱动板通过柔性连接部件连接；所述的柔性连接部件包括螺栓、柔性部件螺母和第一缓冲弹簧；机械臂驱动板设置在螺母驱动板和支撑平台之间；机械臂驱动板开设的通孔与螺母驱动板开设的通孔通过螺栓连接，该螺栓尾部连接的柔性部件螺母压紧机械臂驱动板，第一缓冲弹簧套置在该螺栓上，且第一缓冲弹簧两端分别与机械臂驱动板和螺母驱动板相对的侧面接触；三个五杆式机械臂本体沿周向均布；所述的五杆式机械臂本体包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连杆；第一连杆一端与机械臂驱动板通过销轴连接，另一端与第二连杆一端通过销轴连接；第二连杆的杆长方向在机械臂驱动板上的投影沿机械臂驱动板的径向布置；第二连杆另一端与第四连杆一端通过销轴连接；第四连杆另一端与第五连杆一端通过销轴连接；第五连杆另一端与第三连杆一端通过销轴连接；第三连杆另一端及第二连杆中部均与支撑平台通过销轴连接；第二连杆与第三连杆之间通过欠驱动机械臂连接；三个五杆式机械臂本体的第五连杆上均连接有机械臂末端执行机构；
所述的欠驱动机械臂包括中心轴固定件、扭簧、挡板和扭簧中心轴；所述挡板的横臂与第二连杆固定，立臂支撑第三连杆；第二连杆上固定中心轴固定件；挡板、第三连杆和中心轴固定件沿机械臂驱动板的径向由内至外依次布置；扭簧中心轴固定在中心轴固定件上；扭簧套在扭簧中心轴上，两端分别由第二连杆和第三连杆支撑；
所述的机械臂末端执行机构包括辊子和连接件；固定在连接件尾端的螺杆与第五连杆通过螺纹连接；辊子铰接在连接件头端；三个机械臂末端执行机构的辊子沿周向分布；
所述的机构承载筒包括支柱、底座和圆环，底座和圆环通过沿周向均布的六根支柱固定；
所述第一螺纹螺距是第二螺纹螺距的2倍；
所述挡板的两臂夹角为60°；
所述辊子外套置减振套。
2.根据权利要求1所述的一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构，其特征在于：所述的缓冲导向平台包括缓冲导向头、缓冲导向柱、缓冲平台和第二缓冲弹簧；所述的第二缓冲弹簧一端固定在支撑平台中心轴线处的外端圆筒内，另一端与缓冲平台的内端圆筒固定；支撑平台的外端圆筒外径与缓冲平台的内端圆筒内径相等；缓冲导向柱一端通过四个螺栓固定在缓冲平台外端，另一端与缓冲导向头的螺纹孔通过螺纹连接；缓冲导向头的头部制成仿抛物面形。
3.根据权利要求2所述的一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构，其特征在于：所述缓冲导向头的侧面设有沿周向均布的三个平面，与三片导向弹簧片的一端均通过螺钉连接；三片导向弹簧片的另一端均通过弹簧片固定件固定在缓冲平台外端。
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