CN108820265B - 一种用于空间碎片消旋的柔性末端执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空间碎片消旋的柔性末端执行器，涉及航天设备技术领域，包括：接触部、撞击杆、套筒、传动块、摇臂、曲柄、驱动装置和控制装置；撞击杆穿设于套筒，撞击杆可沿套筒做进给运动；撞击杆的一端设置有接触部，接触部用于与空间碎片接触、碰撞；撞击杆的另一端设置有传动块；传动块与摇臂的一端活动连接，摇臂的另一端与曲柄活动连接；曲柄与驱动装置连接，驱动装置通过驱动曲柄以带动摇臂运动，从而使撞击杆沿套筒做进给运动；使得空间碎片撞击接触部时，接触部通过发生形变以贴合空间碎片，从而起到缓冲的作用，并且可以高效率的空间碎片进行消旋。

Description

一种用于空间碎片消旋的柔性末端执行器
技术领域
本发明涉及航天设备技术领域，尤其是一种用于空间碎片消旋的柔性末端执行器。
背景技术
随着人类空间探索活动的增加，空间碎片对空间轨道的环境的影响越发巨大。空间碎片的存在严重地威胁着在轨航天器的安全，一旦发生碰撞，轻则破坏航天器，重则产生链式反应从而产生大量的空间碎片。空间碎片自身已失去姿态调整能力，且长期在失控状态下运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩因素的影响往往会出现不规则运动，因此需要对空间碎片进行消旋和运动数据采集。
目前，通常采用抛射球体撞击空间碎片以获取空间碎片的运动状态，但这种消旋方式耗时长，耗能大，需要多次调整抛射球的角度，效率低；另一种捕获方式是通过利用毛刷的摩擦力对空间碎片进行能量消耗以达到消旋的目的。
如中国发明专利CN106114918A所公开的一种基于气垫可容许碰撞的空间碎片抓捕装置及方法，在减速过程中，抓捕机构表面的电场使抓捕机构表面产生等离子体，在电场作用下等离子体将形成一层可以变刚度缓冲的等离子体气垫，并将碰撞能量均匀地分布到抓捕机构整个表面，避免碰撞对抓捕机构的损坏；在对空间碎片消旋过程中，电场中的等离子体在外部磁场的作用下对碎片的翻滚运动进行阻碍，从而进行消旋；碎片消旋完成后抓捕机构将对其进行抓捕；该发明的这种消旋方式无法准确的对空间碎片进行运动数据的采集，导致消旋效率低下，数据采集精度低。
发明内容
一、要解决的技术问题
本发明针对现有技术所存在的上述缺陷，解决了现有技术中对空间碎片消旋效率低，运动数据采集精度低的问题。
二、技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于空间碎片消旋的柔性末端执行器，用于空间碎片消旋的柔性末端执行器包括：接触部、撞击杆、套筒、传动块、摇臂、曲柄、驱动装置和控制装置；
撞击杆穿设于套筒，撞击杆可沿套筒做进给运动；撞击杆的一端设置有接触部，接触部用于与空间碎片接触、碰撞；撞击杆的另一端设置有传动块；
传动块与摇臂的一端活动连接，摇臂的另一端与曲柄活动连接；
曲柄与驱动装置连接，驱动装置通过驱动曲柄以带动摇臂运动，从而使撞击杆沿套筒做进给运动；
控制装置用于控制驱动装置。
其中，撞击杆设置为内部中空；接触部设置为可充气的空心橡胶球；接触部的中空部分与撞击杆的中空部分连通。
其中，撞击杆上设置有压力传感器和电磁阀；压力传感器用于检测撞击杆的压力变化，并将检测到的压力信号传输给控制装置；电磁阀用于与输气管路连接；控制装置通过控制电磁阀的开启和关闭，从而控制对接触部的充气和排气。
其中，传动块上设置有六轴力传感器，六轴力传感器用于检测撞击杆传递给传动块的x、y、z三轴的加速度和力矩，并将检测到的加速度信号和力矩信号传递给控制装置。
其中，套筒卡装在固定装置上；驱动装置卡装在固定装置上。
其中，固定装置与机械臂连接，机械臂用于驱动固定装置，从而调整接触部与空间碎片的接触角度。
其中，驱动装置选用直流伺服电机。
三、有益效果
与现有技术相比，本发明提供的一种用于空间碎片消旋的柔性末端执行器，通过设置接触部，使得空间碎片撞击接触部时，接触部通过发生形变以贴合空间碎片，从而起到缓冲的作用，并且可以高效率的空间碎片进行消旋；通过设置压力传感器、六轴力传感器和控制装置，使得空间碎片撞击接触部后，可以精确有效的检测到撞击杆产生的压力变化和x、y、z三轴的加速度和力矩的变化，并将检测到的数据反馈给控制装置，以达到更好的消旋效果；通过设置固定装置和机械臂，使得接触部可以根据空间碎片的位置和运动轨迹调整自身的位置和角度，以便更好的与空间碎片碰撞，达到更好的消旋效果。
附图说明
图1为本发明用于空间碎片消旋的柔性末端执行器的结构示意图；
图2为本发明用于空间碎片消旋的柔性末端执行器的部分剖视图；
图中：1为接触部、2为撞击杆、3为套筒、4为传动块、5为摇臂、6为曲柄、7为驱动装置、8为控制装置、9为压力传感器、10为电磁阀、11为六轴力传感器、12为固定装置、13为机械臂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，包括：接触部1、撞击杆2、套筒3、传动块4、摇臂5、曲柄6、驱动装置7、控制装置8、压力传感器9、电磁阀10、六轴力传感器11、固定装置12和机械臂13；
撞击杆2穿设于套筒3，撞击杆2可沿套筒3做进给运动；撞击杆2的一端设置有接触部1，接触部1用于与空间碎片接触、碰撞；撞击杆2的另一端设置有传动块4；
传动块4与摇臂5的一端活动连接，摇臂5的另一端与曲柄6活动连接；
曲柄6与驱动装置7连接，驱动装置7通过驱动曲柄6以带动摇臂5运动，从而使撞击杆2沿套筒3做进给运动；
控制装置8用于控制驱动装置7；驱动装置7选用直流伺服电机。
其撞击杆2设置为内部中空；接触部1设置为可充气的空心橡胶球；接触部1的中空部分与撞击杆2的中空部分连通；使得空间碎片撞击接触部时，接触部通过发生形变以贴合空间碎片，从而起到缓冲的作用，并且可以高效率的空间碎片进行消旋。
撞击杆2上设置有压力传感器9和电磁阀10；压力传感器9用于检测撞击杆2的压力变化，并将检测到的压力信号传输给控制装置8；电磁阀10用于与输气管路连接；控制装置8通过控制电磁阀10的开启和关闭，从而控制对接触部1的充气和排气。
传动块4上设置有六轴力传感器11，六轴力传感器11用于检测撞击杆2传递给传动块4的x、y、z三轴的加速度和力矩，并将检测到的加速度信号和力矩信号传递给控制装置8；使得空间碎片撞击接触部后，可以精确有效的检测到撞击杆产生的压力变化和x、y、z三轴的加速度和力矩的变化，并将检测到的数据反馈给控制装置，以达到更好的消旋效果。
套筒3卡装在固定装置12上；驱动装置7卡装在固定装置12上；固定装置12与机械臂13连接，机械臂13用于驱动固定装置12，从而调整接触部1与空间碎片的接触角度。使得接触部可以根据空间碎片的位置和运动轨迹调整自身的位置和角度，以便更好的与空间碎片碰撞，达到更好的消旋效果。
在使用本发明提出的消旋柔性末端执行器进行空间碎片的消旋时：
启动消旋柔性末端执行器，控制装置8根据检测到的空间碎片位置，控制机械臂13控制固定装置12运动，使得接触部1与空间碎片对准；
控制装置8根据空间碎片的位置和运动姿态分析碰撞力，计算驱动装置7的输出扭矩；
控制装置8控制电磁阀10开启，并为接触部1充入适量的气体；控制装置8控制驱动装置7运动，以带动曲柄6运动，从而使得撞击杆2沿套筒3做进给运动；
空间碎片与正在做进给运动的接触部1碰撞；压力传感器9将检测到的压力变化反馈给控制装置8做分析计算；六轴力传感器11将检测到的碰撞过程X、Y和Z轴的加速度，扭矩等数据反馈给控制装置8做分析计算；
控制装置8根据反馈的压力数据和运动数据，预测空间碎片的位置和动力学参数；
通过控制装置8判断是否满足捕获条件，若满足，则进行空间碎片的捕获；若不满足，则控制装置8进行下次碰撞的碰撞力计算和碰撞位置的计算，并控制消旋柔性末端执行器进行下次碰撞，直至满足捕获条件。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于空间碎片消旋的柔性末端执行器，其特征在于，所述用于空间碎片消旋的柔性末端执行器包括：接触部（1）、撞击杆（2）、套筒（3）、传动块（4）、摇臂（5）、曲柄（6）、驱动装置（7）和控制装置（8）；
所述撞击杆（2）穿设于所述套筒（3），所述撞击杆（2）可沿所述套筒（3）做进给运动；所述撞击杆（2）的一端设置有所述接触部（1），所述接触部（1）用于与空间碎片接触、碰撞；所述撞击杆（2）的另一端设置有所述传动块（4）；
所述传动块（4）与所述摇臂（5）的一端活动连接，所述摇臂（5）的另一端与所述曲柄（6）活动连接；
所述曲柄（6）与所述驱动装置（7）连接，所述驱动装置（7）通过驱动所述曲柄（6）以带动所述摇臂（5）运动，从而使所述撞击杆（2）沿所述套筒（3）做进给运动；
所述控制装置（8）用于控制所述驱动装置（7）；
所述套筒（3）卡装在固定装置（12）上；所述驱动装置（7）卡装在所述固定装置（12）上；所述固定装置（12）与机械臂（13）连接，所述机械臂（13）用于驱动所述固定装置（12），从而调整所述接触部（1）与空间碎片的接触角度。
2.如权利要求1所述的用于空间碎片消旋的柔性末端执行器，其特征在于：所述撞击杆（2）设置为内部中空；所述接触部（1）设置为可充气的空心橡胶球；所述接触部（1）的中空部分与所述撞击杆（2）的中空部分连通。
3.如权利要求2所述的用于空间碎片消旋的柔性末端执行器，其特征在于：所述撞击杆（2）上设置有压力传感器（9）和电磁阀（10）；所述压力传感器（9）用于检测所述撞击杆（2）的压力变化，并将检测到的压力信号传输给所述控制装置（8）；所述电磁阀（10）用于与输气管路连接；所述控制装置（8）通过控制所述电磁阀（10）的开启和关闭，从而控制对所述接触部（1）的充气和排气。
4.如权利要求1所述的用于空间碎片消旋的柔性末端执行器，其特征在于：所述传动块（4）上设置有六轴力传感器（11），所述六轴力传感器（11）用于检测所述撞击杆（2）传递给所述传动块（4）的x、y、z三轴的加速度和力矩，并将检测到的加速度信号和力矩信号传递给所述控制装置（8） 。
5.如权利要求1所述的用于空间碎片消旋的柔性末端执行器，其特征在于：所述驱动装置（7）选用直流伺服电机。
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