CN109178354A - 一种基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有在捕获非合作航天器后对接时的通用性和适应性差的问题，本发明提供一种基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，涉及非合作航天器捕获技术领域。本发明包括：对接装置，用于测量和调整星箭对接环与星箭对接环锁紧装置的相对位置和姿态，使锁紧装置与星箭对接环的对接面接触；锁紧装置，用于当锁紧装置与星箭对接环的对接面接触时，从径向锁紧星箭对接环的外沿。所述锁紧装置包括多个锁紧部件和运动平台，多个锁紧部件分布在运动平台上，多个锁紧部件在运动平台上能够径向收缩或扩张。星箭对接环是绝大部分航天器都具备的结构，采用径向间距可调的卡爪设计，能够适应不同的星箭对接环直径。

Description

一种基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统
技术领域
本发明涉及一种非合作航天器星箭对接环的对接锁紧系统，特别涉及一种基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，涉及非合作航天器捕获技术领域。
背景技术
进入二十一世纪之后，随着空间技术的蓬勃发展，世界各国开发和探索深空的频率越来越高，航天系统越来越复杂。然而，航天技术的风险性非常高，在带来巨大效益的同时也会因航天器的发射失败、轨道运行故障和航天器寿命有限等造成巨大的损失。因此，为了尽可能降低航天器发生故障或者失效造成的损失，就需要开展诸多以延长航天寿命、清除轨道垃圾(如废弃的航天器和空间碎片)等空间任务为目标在轨服务技术研究。
空间在轨服务是指在太空中通过航天员、机器人(或机器人卫星)，或者航天员和机器人共同协作来完成包括延长卫星、服务平台、空间站附属舱以及空间运载器的寿命和能力的装配、维护和服务等太空任务，因而航天器的捕获和操纵是未来航天技术的重要发展方向，是在轨服务的重要组成部分。
捕获对接可分为撞击式对接和停靠式捕获。典型撞击式对接机构主要有“杆-锥”式对接系统和雌雄同体周边对接系统。停靠式捕获有美国航天飞机与国际空间站的对接，其特点是捕获对接时，由力传感器感知碰撞力，利用姿态调整平台修正指向偏差。
在各种捕获机构中，“杆-椎”式应用最早，其容错能力最强，质量小，控制精度需求低。后来，为了获得较大过渡通道供宇航员和物资通过，研制力雌雄同体周边式对接机构，但牺牲了一部分容错能力。
随着技术的发展，空间交会对接的需求越来越强，对简洁有效、容错能力强的对接机构提出了迫切需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有在捕获非合作航天器后对接时的通用性和适应性差的问题，本发明提供一种基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统。
本发明的基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，所述系统包括：
对接装置，用于测量和调整星箭对接环与星箭对接环锁紧装置的相对位置和姿态，使锁紧装置与星箭对接环的对接面接触；
锁紧装置，用于当锁紧装置与星箭对接环的对接面接触时，从径向锁紧星箭对接环的外沿。
优选的是，所述锁紧装置包括多个锁紧部件和运动平台，多个锁紧部件分布在运动平台上，多个锁紧部件在运动平台上能够径向收缩或扩张。
优选的是，所述运动平台包括上板5、中板9和驱动轴7；
上板5、中板9均为环状，上板5上设置有与锁紧部件相同数量的径向轨道，该轨道贯穿上板5，每条轨道上配置一个锁紧部件，锁紧部件能在轨道上移动；
中板9位于上板5的下部，上板5与中板9不接触，中板9的上表面沿圆周方向设置有螺旋槽6，锁紧部件的底部设有螺纹，锁紧部件的底部螺纹穿过轨道与螺旋槽6相配合；
驱动轴7驱动中板9旋转。
优选的是，所述锁紧部件包括卡爪1和滑动件，卡爪1与星箭对接环10的接触面为梯形斜面，卡爪固定在滑动件上，滑动件设置在轨道上，滑动件的底部设有螺纹。
优选的是，所述对接装置包括全局相机6、锁紧控制器、六自由度调整平台11、与锁紧部件数量相同的测距仪2、力传感器3；
每个卡爪1的顶部设置一个测距仪，卡爪1和滑动件之间设置一个力传感器3；全局相机6设置在上板5的上表面；
测距仪2，用于测量卡爪1到星箭对接环的对接面的距离；
力传感器3，用于测量卡爪1的受力；
全局相机6，用于监测星箭对接环的图像；
六自由度调整平台11，用于调整上板5与星箭对接环的相对位置及卡爪1与星箭对接环的距离；
锁紧控制器，用于根据全局相机6监测的图像，确定上板5与星箭对接环的相对位置；通过测距仪2测得距离，确定卡爪1与星箭对接环是否平行；通过力传感器3测量到的力，确定卡爪1与星箭对接环的对接面是否接触，控制六自由度调节装置8，依次使上板5与星箭对接环的位置相对、卡爪1与星箭对接环平行、卡爪1与星箭对接环的对接面接触，控制驱动轴7工作，使卡爪1沿着轨道径向收缩，实现对星箭对接环的锁紧。
优选的是，所述驱动轴7包括主动轴、驱动电机和多个从动轴，
主动轴和多个从动轴分布在中板底部的周围，中板的外沿设有螺纹，主动轴和从动轴分别通过锥齿轮15与中板9外沿螺纹连接，主动轴和从动轴同时支撑中板9，驱动电机控制主动轴转动，带动中板9转动，中板9外沿螺纹带动从动轴旋转。
优选的是，所述运动平台还包括下板8；
驱动轴7设置在下板8上，下板8设置在六自由度调整平台11上。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于：
(1)通用性强：星箭对接环是绝大部分航天器都具备的结构，本发明的智能对接锁紧机构针对星箭对接环实现对非合作航天器的捕获和锁紧，具有通用性强的特点；
(2)适应性强：本发明的智能对接锁紧机构，采用径向间距可调的卡爪设计，能够适应不同的星箭对接环直径，具有适应性强的特点；
(3)多传感器智能感知：本范明的智能对接锁紧机构采用全局相机、测距仪、力传感器等多种传感器，实现对对接锁紧过程智能感知；
(4)对接锁紧过程自主控制：本发明可以根据传感器的测量信息自主控制锁紧装置的位置和姿态，实现对接锁紧过程的自主控制。
附图说明
图1是本发明实施例中基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中对非合作航天器锁紧的示意图；
图3是图1的剖面图。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明的一种基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，包括：
对接装置，用于测量和调整星箭对接环与星箭对接环锁紧装置的相对位置和姿态，使锁紧装置与星箭对接环的对接面接触；
本实施方式的星箭对接环的对接面为航天器12的低端面；
锁紧装置，用于当锁紧装置与星箭对接环的对接面接触时，从径向锁紧星箭对接环的外沿。
本实施方式对航天器的星箭对接环锁紧，星箭对接环是绝大部分航天器都具备的结构，本实施方式的智能对接锁紧系统针对星箭对接环实现对非合作航天器的捕获和锁紧，具有通用性强的特点；
优选实施例中，本实施方式的锁紧装置包括多个锁紧部件和运动平台，多个锁紧部件分布在运动平台上，多个锁紧部件在运动平台上能够径向收缩或扩张。
本实施方式的对接锁紧系统，采用径向间距可调的锁紧部件，能够适应不同的星箭对接环直径，具有适应性强的特点。
本实施方式的运动平台能使锁紧部件能够径向收缩或扩张，优选实施例中，本实施方式的运动平台包括上板、中板和驱动轴；
上板、中板均为环状，上板上设置有与锁紧部件相同数量的径向轨道，该轨道贯穿上板，每条轨道上配置一个锁紧部件，锁紧部件能在轨道上移动；
中板位于上板的下部，上板与中板不接触，中板的上表面沿圆周方向设置有螺旋槽，锁紧部件的底部设有螺纹，锁紧部件的底部螺纹穿过轨道与螺旋槽相配合；
驱动轴驱动中板旋转，中板旋转后，带动与螺旋槽配合的锁紧部件径向移动，根据旋转方向，实现多个锁紧部件在运动平台上径向收缩或扩张。
本实施方式设计了一种轨道，在中板上设置螺旋槽，驱动轴转动，带动中板转动，中板的螺旋槽带动锁紧部件径向移动。
锁紧部件可以采用多种能达到锁紧作用的部件实现，优选实施例中，本实施方式的锁紧部件包括卡爪和滑动件，卡爪与星箭对接环的接触面为梯形斜面，卡爪固定在滑动件上，滑动件设置在轨道上，滑动件的底部设有螺纹。
对接装置的目的是为了实现锁紧装置与星箭对接环的对接面接触，优选实施例中，本实施方式的对接装置包括全局相机、锁紧控制器、六自由度调整平台、与锁紧部件数量相同的测距仪、力传感器；
每个卡爪的顶部设置一个测距仪，卡爪和滑动件之间设置一个力传感器；全局相机设置在上板的上表面；
测距仪，用于测量卡爪到星箭对接环的对接面的距离；
力传感器，用于测量卡爪的受力；
全局相机，用于监测星箭对接环的图像；
六自由度调整平台，用于调整上板与星箭对接环的相对位置及卡爪与星箭对接环的距离；
锁紧控制器，用于根据全局相机监测的图像，确定上板与星箭对接环的相对位置；通过测距仪测得距离，确定卡爪与星箭对接环是否平行；通过力传感器测量到的力，确定卡爪与星箭对接环的对接面是否接触，控制六自由度调节装置，依次使上板与星箭对接环的位置相对、卡爪与星箭对接环平行、卡爪与星箭对接环的对接面接触；
当控制驱动轴工作，使卡爪沿着轨道径向收缩，实现对星箭对接环的锁紧。
驱动轴7用于驱动中板的旋转，优选实施例中，本实施方式的驱动轴7包括主动轴、驱动电机和多个从动轴，
主动轴和多个从动轴分布在中板底部的周围，中板的外沿设有螺纹，主动轴和从动轴分别通过锥齿轮与中板外沿螺纹连接，主动轴和从动轴同时支撑中板，驱动电机控制主动轴转动，带动中板转动，中板外沿螺纹带动从动轴旋转，所述运动平台还包括下板；主动轴、驱动电机和多个从动轴设置在下板上，下板设置在六自由度调整平台上。
具体实施例：
本实施例的基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，包括卡爪1、滑动件3、上板5、中板9、下板8、驱动轴7、全局相机6、锁紧控制器、六自由度调整平台11、测距仪2和力传感器3；
上板5、中板9、下板8均为环状，上板5上设置有多条轨道4，每个轨道由上板5的外径延伸至内径，该轨道4贯穿上板5，每条轨道4上配置一个滑动件3，卡爪1固定在滑动件3上，滑动件3设置在轨道4上，滑动件3的底部设有螺纹14；中板9位于上板5的下部，上板5与中板9不接触，中板9的上表面沿圆周方向设置有螺旋槽6，滑动件3底部螺纹穿过轨道与螺旋槽6相配合；驱动轴7驱动中板9旋转；卡爪1与星箭对接环10的接触面为梯形斜面；每个卡爪1的顶部设置一个测距仪，卡爪1和滑动件之间设置一个力传感器3；全局相机6设置在上板5的上表面；测距仪2，用于测量卡爪1到星箭对接环的接触面的距离；力传感器3，用于测量卡爪1的受力；全局相机6，用于监测星箭对接环的图像；六自由度调整平台11，用于调整上板5与星箭对接环的相对位置及卡爪1与星箭对接环的距离；驱动轴7设置在上，下板8设置在六自由度调整平台11上，驱动轴7包括主动轴、驱动电机和多个从动轴，主动轴和多个从动轴分布在中板底部的周围，中板的外沿设有螺纹，主动轴和从动轴分别通过锥齿轮15与中板9外沿螺纹连接，主动轴和从动轴同时支撑中板9，驱动电机控制主动轴转动，带动中板9转动，中板9外沿螺纹带动从动轴旋转。
如图2所示，对接时，锁紧控制器实现锁紧的过程：
1、当接近非合作航天器12的星箭对接环10时，利用全局相机6监测对接锁紧系统是否与星箭对接环10的位置相对，若否，通过六自由度调整平台11调整对接锁紧系统使其与星箭对接环10位置相对；
2、当本实施例的对接锁紧系统与星箭对接环10位置相对，根据多个测距仪2测得的距离判断本实施例的对接锁紧系统是否与星箭对接环10平行，若不平行，通过六自由度调整平台11调整卡爪1到对接环10的距离；若多个距离信息相同时，即已平行；
3、当本实施例的对接锁紧系统与星箭对接环10平行，且多个力传感器3均有输出时，表明本实施例的对接锁紧系统与星箭对接环10的对接面接触，星箭对接环10达到卡爪1的锁紧范围；通过驱动电机控制驱动轴7带动中板9旋转，进一步带动卡爪1径向同步收缩；卡爪1与星箭对接环10接触后，卡爪1的梯形面设计使得径向收缩引起对星箭对接环10的轴向拉紧，通过监测力传感器3输出，确定是否锁紧到位。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，其特征在于，所述系统包括：
对接装置，用于测量和调整星箭对接环与锁紧装置的相对位置和姿态，使锁紧装置与星箭对接环的对接面接触；
锁紧装置，用于当锁紧装置与星箭对接环的对接面接触时，从径向锁紧星箭对接环的外沿。
2.根据权利要求1所述的基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，其特征在于，所述锁紧装置包括多个锁紧部件和运动平台，多个锁紧部件分布在运动平台上，多个锁紧部件在运动平台上能够径向收缩或扩张。
3.根据权利要求2所述的基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，其特征在于，所述运动平台包括上板、中板和驱动轴；
上板、中板均为环状，上板上设置有与锁紧部件相同数量的径向轨道，该轨道贯穿上板，每条轨道上配置一个锁紧部件，锁紧部件能在轨道上移动；
中板位于上板的下部，上板与中板不接触，中板的上表面沿圆周方向设置有螺旋槽6，锁紧部件的底部设有螺纹，锁紧部件的底部螺纹穿过轨道与螺旋槽6相配合；
驱动轴驱动中板旋转。
4.根据权利要求3所述的基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，其特征在于，所述锁紧部件包括卡爪和滑动件，卡爪与星箭对接环的接触面为梯形斜面，卡爪固定在滑动件上，滑动件设置在轨道上，滑动件的底部设有螺纹。
5.根据权利要求4所述的基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，其特征在于，所述对接装置包括全局相机、锁紧控制器、六自由度调整平台、与锁紧部件数量相同的测距仪、力传感器；
每个卡爪的顶部设置一个测距仪，卡爪和滑动件之间设置一个力传感器；全局相机设置在上板的上表面；
测距仪，用于测量卡爪到星箭对接环的对接面的距离；
力传感器，用于测量卡爪的受力；
全局相机，用于监测星箭对接环的图像；
六自由度调整平台，用于调整上板与星箭对接环的相对位置及卡爪与星箭对接环的对接面的距离；
锁紧控制器，用于根据全局相机监测的图像，确定上板与星箭对接环的相对位置；通过测距仪测得距离，确定卡爪与星箭对接环的对接面是否平行；通过力传感器测量到的力，确定卡爪与星箭对接环的对接面是否接触，控制六自由度调节装置，依次使上板与星箭对接环的位置相对、卡爪与星箭对接环的对接面平行、卡爪与星箭对接环的对接面接触，控制驱动轴工作，使卡爪沿着轨道径向收缩，实现对星箭对接环的锁紧。
6.根据权利要求5所述的基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，其特征在于，所述驱动轴包括主动轴、驱动电机和多个从动轴，
主动轴和多个从动轴分布在中板底部的周围，中板的外沿设有螺纹，主动轴和从动轴分别通过锥齿轮与中板外沿螺纹连接，主动轴和从动轴同时支撑中板，驱动电机控制主动轴转动，带动中板转动，中板外沿螺纹带动从动轴旋转。
7.根据权利要求6所述的基于星箭对接环的非合作航天器对接锁紧系统，其特征在于，所述运动平台还包括下板；
驱动轴设置在下板上，下板设置在六自由度调整平台上。
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