CN109250156A - 一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法，包括安装有太阳能帆板的工作航天器，工作航天器上设置有观测系统系统以及机械臂，观测系统系统用于估计目标旋转的方向和快慢，机械臂上设置有用于消旋的电磁体，在机械臂的末端设置有用于消旋后捕获目标的末端执行器。本发明相对于基于小卫星编队的消旋和抓捕系统，其在控制难度、容错率和使用寿命上皆有优势。

Description

一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法

技术领域

本发明属于空间非合作目标捕捉技术领域，具体涉及一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法。

背景技术

空间非合作目标是指不是为对接或捕获设计的任一航天器，即该目标上不安装用于机械臂捕获的抓持机构(手柄)以及用于辅助测量的合作标志器和特征块，或不能进行姿态控制，在空间自由翻滚的任一航天器。一般包括己方未装置合作部件和己方装置合作部件但燃料耗尽的卫星、姿轨控系统故障的卫星、己方失效卫星、空间碎片，以及对方航天器。现有的在轨航天器基本上属于非合作目标。从目前的发展情况来看，对空间合作目标的抓捕技术已相对成熟，并成功应用于在轨服务中。然而，对空间非合作目标的抓捕，还没有进行过在轨演示验证。实际上，许多空间任务涉及非合作目标的抓捕，比如：对未成功进入预定轨道的卫星进行辅助入轨；对发生故障的卫星进行更换故障单元仪器；辅助机构(未能正常打开的太阳帆板、天线等)展开对燃料耗尽但其他系统工作正常的卫星加注燃料，延长寿命；将废弃卫星和空间碎片送入坟墓轨道。

对于高速翻滚目标的抓捕，首先需要进行消旋，降低其旋转速度，以降低其抓捕难度和抓捕过程中的碰撞干扰。在目标旋转速度降低到一定范围内后，可利用机械臂机构对目标进行抓捕。

目前，针对空间非合作目标的消旋方法没有实际操作案例，可行的设想方案主要是给目标附加质量以增加转动惯量降低转速，待其转速到达足够低时即可进行抓捕操作。这种方案的缺点是首先附加质量往往采用向目标喷涂粘附材料的方法，要求材料在太空中也要保持粘附性能，对材料技术要求高，同时工作航天器要自带一个喷涂装置增加了系统复杂度，最后工作航天器携带的粘附材料有限，其消旋效果对大质量的目标较为乏力。

另一种可行的消旋方案是利用电磁涡流效应。该方案的原理是，首先工作航天器在高速旋转的目标周围构建一个磁场，目标内部的金属部件或工作航天器主动喷涂到目标上的导电材料随着目标旋转运动切割磁感线产生电流，电流又在磁场中受到洛伦茨力阻碍其继续转动，从而达到减速的目的。这种方法的缺点是需要消耗工作航天器上的能量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置及方法，能够在旋转目标周围形成磁场，目标中的金属部件切割磁感线运动产生电流，电流又受到磁场的洛仑磁力作用阻碍其进一步运动，从而达到消旋的目的。消旋结构与目标不直接接触，避免了碰撞损伤的危险。消旋结构集成于双机械臂抓捕装置，消旋后可利用机械臂末端的钳爪机构直接进行抓捕，方便快捷，简化了系统复杂度和操作复杂度。

本发明采用以下技术方案：

一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，包括安装有太阳能帆板的工作航天器，工作航天器上设置有观测系统以及机械臂，观测系统用于估计目标旋转的方向和快慢，机械臂上设置有用于消旋的电磁体，在机械臂的末端设置有用于消旋后捕获目标的末端执行器。

具体的，机械臂包括两个，设置在工作航天器的同一侧。

进一步的，机械臂为六自由度腕部分离机械臂或七自由度冗余机械臂。

进一步的，机械臂通过球腕关节与末端执行器连接。

进一步的，六自由度腕部分离机械臂末端和七自由度冗余机械臂末端均设置有三个连杆，每个连杆上均设置有电磁体，每个电磁体均与太阳能帆板电连接。

一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕方法，包括以下步骤：

S1、工作航天器向翻滚非合作目标接近，使目标停靠在机械臂工作空间内且工作航天器处于翻滚非合作目标安全距离范围内；

S2、通过观测系统测量目标角动量矢量H以及自旋轴位置矢量Z_b的方向，两条机械臂展开到初始消旋位置，机械臂末端依次设置的三个连杆展开环绕目标；

S3、太阳能帆板产生电能对三个连杆上设置的电磁体进行通电，产生磁场对目标进行消旋，直至目标的旋转角速度减小到限制值以下；调整机械臂位置，使磁场的磁感线方向与目标剩余旋转角垂直，产生洛伦茨力阻尼其旋转运动；

S4、当目标旋转速度降低至允许范围后，调整机械臂，利用末端执行器对目标进行抓捕工作。

具体的，步骤S1中，安全距离为保证消旋过程中扰动不会使目标碰撞到机械臂。

具体的，步骤S2中，三个连杆展开后距离目标的距离大于等于安全距离。

具体的，步骤S4中，允许范围由抓捕机构和追踪航天器的结构强度、追踪航天器的姿态稳定系统性能以及机械臂的工作空间等因素决定。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，工作航天器上设置有观测系统以及机械臂，观测系统用于估计目标旋转的方向和快慢，机械臂上设置有用于消旋的电磁体，在机械臂的末端设置有用于消旋后捕获目标的末端执行器，采用非直接接触的消旋方法，正常工作过程不会产生碰撞损伤危险；洛伦茨力的产生依赖于目标本身含有的金属部件，无需附加工作物质，本发明相对于基于小卫星编队的消旋和抓捕系统，其在控制难度、容错率和使用寿命上皆有优势。

进一步的，两个六自由度腕部分离机械臂设置在工作航天器的同一侧，双机械臂的大工作范围提供了对目标尺寸的冗余度，消旋目标既可以是小块的空间碎片，也可以是大型的废弃航天器；电磁体固定安装于机械臂上，没有活动部件，不需要更换执行机构，不过分占用空间，采用一套装置可以实现消旋和抓捕两项任务，简化了系统结构复杂度和任务复杂度。

进一步的，球腕关节是指机械臂末端三个关节的联合作用相当于一个球形关节(即可以调整末端姿态)，故将机械臂末端三个关节看成一个整体，称为球腕关节；无论是用六自由度还是七自由度机械臂，其末端三个关节皆是球腕关节，即末端三个关节的旋转轴在空间中位置可以达到两两垂直。机械臂根部的三个或四个关节长度较长，结构强度也更高，其主要作用是使机械臂末端能达到相应的空间位置。而末端三个关节为球腕关节，其结构较为轻巧，可以绕空间三个轴旋转，使机械臂末端执行器可以达到需要的姿态。机械臂利用末端的执行器(一般为钳、爪装置)抓捕目标特定机构，如太阳帆板根部支撑结构或发动机喷管等，此时要求末端执行器要保持特定姿态朝向，以免碰撞或抓取不牢等造成抓捕失败。使用球腕关节是为了达到特定姿态，这种球腕关节广泛应用于工业机器人当中，是成熟、可靠且有效的。

进一步的，末端三根连杆是机械臂本身的三根连杆，不是额外附加的。在机械臂本身的三根连杆上设置电磁体，而不是在末端执行器上安装磁场发生装置，其目的一是简化系统结构，充分利用连杆上的空间，二是解放末端执行器，使其可以用于抓捕，这样就能使每台机械臂既能用于消旋又能用于抓捕，提高了装置利用效率。三是可以充分利用球腕关节的运动，针对目标大小形状灵活调整磁场的范围大小和分布方向，若是只在末端执行器安装磁场发生装置，则构造的磁场范围更小，分布方式单一，不利于灵活消旋，每个电磁体均与太阳能帆板电连接，本发明工作所需能量皆可使用太阳能帆板所产生的电能进行补充，可持续再生。

本发明还公开了一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置的工作方法，在保证航天器本体和机械臂不碰撞目标的情况下，使目标进入机械臂工作空间，这是机械臂进行消旋和抓捕操作的先决条件，只有这样机械臂才能在目标周围展开磁场进行消旋；对目标的旋转方向进行观测，确定目标旋转轴方向。在构造磁场时，可以使磁感线尽量与目标旋转轴垂直，使旋转过程中目标内部金属更好得切割磁感线，从而增大产生的洛伦茨力，提高阻尼力矩，提高消旋效率。当然，也可以选择使磁感线分步得稍微偏离目标旋转轴垂直面，减小消旋过程中产生的洛伦茨力，从而减小消旋过程对航天器和机械臂系统的扰动，减小姿态稳定系统的工作压力。总而言之，观测是为了个后面的磁场构造方向的选择做准备；同样，消旋过程中，当目标绕某一轴向的旋转速度已减小时，转动机械臂，可以改变磁场方向，对其他轴向的旋转速度进行消旋。就好像煎鸡蛋饼时，这一面煎熟了，倒个个儿煎另一面。最终使目标绕每一个轴向的旋转速度都归零；最后的抓捕工作是在消旋的基础上完成的。本发明的好处正是在于用一套机械臂系统完成了消旋和抓捕两项工作，且抓捕工作可以在消旋完成后立即用同一套进行，方便快捷简便。

进一步的，消旋过程中产生的洛伦茨力会对目标与工作系统(包括航天器本体和机械臂)产生相互作用，对目标和工作系统的位置、姿态产生扰动。这个时候若三个连杆距离目标过近，则极易造成碰撞。故连杆与目标要有一定安全距离，这个距离视消旋过程中产生的洛伦茨力大小及其引发的扰动大小有关。若扰动小，则可以尽量靠近，若扰动大，则安全距离也要增大。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、消旋结构与目标不直接接触，避免了碰撞损伤的危险；

2、消旋结构集成于双机械臂抓捕装置，简化了系统结构复杂度和操作难度；消旋后可利用机械臂末端的钳爪机构直接进行抓捕，不需要更换末端执行机构，方便快捷；

3、消旋过程中可以实时观测目标旋转运动，利用关节转动灵活改变磁场位置和方向。既提高了消旋的安全性，又提高了消旋效率；

4、本发明所采用的观测装置、姿态稳定系统均可采用航天工程中的成熟产品，机械臂可以利用常见的工业机器人进行改造。系统技术成熟可靠，价格低廉。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明消旋抓捕系统示意图；

图2为本发明消旋示意图；

图3为本发明抓捕示意图；

图4为七自由度机械臂关节轴示意图。

其中：1.工作航天器；2.太阳能帆板；3.球腕关节；4.目标；5.磁感线；6.末端执行器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供了一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，包括安装于工作航天器1同一侧面的两条六自由度腕部分离机械臂，每条机械臂末端三个连杆l₄，l₅和l₆上各安装一个电磁体；每条机械臂都安装有一个末端执行器6，两条机械臂均通过一个球腕关节3与一个末端执行器6连接，末端执行器6采用钳爪装置，用于消旋后的抓捕；工作航天器1两侧连接有太阳能帆板2，工作航天器1上安装有观测系统用于估计目标旋转的大致方向和快慢。

请参阅图4，其结构模仿自人手结构，θ₁到θ₇分别是7个关节角，Σ₀是固定于基座上的坐标系，Σ₇是固定于末端执行器上的坐标系。

球腕关节是指机械臂末端三个关节的联合作用相当于一个球形关节(即可以调整末端姿态)，故将机械臂末端三个关节看成一个整体，称为球腕关节。

无论是用六自由度还是七自由度机械臂，其末端三个关节皆是球腕关节，即末端三个关节的旋转轴在空间中位置可以达到两两垂直。机械臂根部的三个或四个关节长度较长，结构强度也更高，其主要作用是使机械臂末端能达到相应的空间位置。而末端三个关节为球腕关节，其结构较为轻巧，可以绕空间三个轴旋转，使机械臂末端执行器可以达到需要的姿态。机械臂利用末端的执行器(一般为钳、爪装置)抓捕目标特定机构，如太阳帆板根部支撑结构或发动机喷管等，此时要求末端执行器要保持特定姿态朝向，以免碰撞或抓取不牢等造成抓捕失败。使用球腕关节是为了达到特定姿态，这种球腕关节广泛应用于工业机器人当中，是成熟、可靠且有效的。

末端三个连杆的作用是与三个关节连接组成了球腕关节。其位置可以参考工业机器人末端的三个连杆。由于这三个连杆都较为短粗，其作用也限于调节末端姿态，故将其看成一个整体(球腕关节)在图中显示。

机械臂的DH参数如下表所示：

DH参数是机器人领域中常用的表示机械臂外形布局的方法。

固连在某个关节上的坐标系定义为：该坐标系z轴与转动关节轴重合，坐标系原点在关节中心，x轴y轴指向由DH参数确定。

DH参数实际上表示的是相邻关节坐标系的空间相对位置。

当成功对目标4进行消旋后，就可以进行抓捕工作了。目前可行的抓捕方案中最主要的是利用机械臂来进行抓捕。使用机械臂的好处是可使用于各种体积大小的目标4(无论是大型的废弃航天器还是小块的空间碎片)，可重复性好，容错率高，抓捕失败后可以再次尝试。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

本发明一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置的工作方法，包括以下步骤：

S1、工作航天器1向翻滚非合作目标4接近，停靠在机械臂工作空间内且距翻滚非合作目标安全距离处，安全距离的大小只要保证消旋过程中的扰动不会使目标碰撞到机械臂即可；

S2、工作航天器1携带的观测系统测量目标4角动量矢量H方向，自旋轴位置矢量Z_b方向，两条机械臂展开到初始消旋位置，末端三关节l₄，l₅和l₆尽量展开环绕靠近目标4，但保持与目标4的距离不小于安全距离；

观测系统包括激光测距仪、立体测量相机，分别测量目标运动的位置和姿态信息。综合目标的位置姿态运动信息确定目标旋转轴和角动量方向。

S3、利用太阳能帆板2产生电能对电磁体进行通电，产生磁场对碎片进行消旋，减小目标4在垂直于磁场磁感线5方向翻滚的角速度，直至将目标4的旋转角速度减小到限制值以下；调整机械臂位置，使磁感线5方向与目标4剩余旋转角垂直，产生洛伦茨力阻尼其旋转运动，最终达到消旋目的，如图2所示；

S4、当利用电磁体将目标4旋转速度降低至允许范围后，调整机械臂，利用末端执行器6对目标4进行抓捕工作。

允许范围由抓捕机构和追踪航天器的结构强度、追踪航天器的姿态稳定系统性能以及机械臂的工作空间等因素决定。

一、剩余旋转速度不应过大，尽量归零，以免目标上接触点与抓捕机构末端碰撞时相对速度过大，造成碰撞冲击对抓捕机构和追踪航天器造成结构损坏。

二、抓捕完成后需要利用追踪航天器的姿态稳定系统(常用的为飞轮系统，其使用电能；另一种为喷气装置，其会消耗工质)对组合体剩余角动量进行消旋以达到姿态稳定。剩余角动量越多，则组合体消旋所消耗的能源和工质就越多。

三、机械臂的工作空间是有限的，抓捕机构从接近目标到碰撞目标再到抓牢目标需要一定时间，此过程中要求机械臂末端要一直跟随目标运动并保持靠近抓捕接触点。若剩余旋转速度过大，则此过程中目标上抓捕接触点极易运动出机械臂工作空间，造成抓捕失败。

综上，目标剩余旋转速度应尽量归零。消旋机构可以尽量延长电磁场的构筑持续时间以降低剩余速度。

请参阅图3，航天器观测系统测量到目标位置信息后，系统先确定目标抓捕点的位置(要抓捕某些特定部位如太阳帆板根部支撑结构、主发动机喷管等)，再确定该抓捕点对应的机械臂构型(称为目标构型)，最后规划一条机械臂从初始构型到目标构型的可行路径。机械臂控制机构控制关节角转动，从而沿着该轨迹运动到达抓捕点。最后，末端执行机构张开钳爪抓捕目标。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，其特征在于，包括安装有太阳能帆板(2)的工作航天器(1)，工作航天器(1)上设置有观测系统以及机械臂，观测系统用于估计目标(4)旋转的方向和快慢，机械臂上设置有用于消旋的电磁体，在机械臂的末端设置有用于消旋后捕获目标(4)的末端执行器(6)。

2.根据权利要求1所述的一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，其特征在于，机械臂包括两个，设置在工作航天器(1)的同一侧。

3.根据权利要求2所述的一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，其特征在于，机械臂为六自由度腕部分离机械臂或七自由度冗余机械臂。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，其特征在于，机械臂通过球腕关节(3)与末端执行器(6)连接。

5.根据权利要求3所述的一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置，其特征在于，六自由度腕部分离机械臂末端和七自由度冗余机械臂末端均设置有三个连杆，每个连杆上均设置有电磁体，每个电磁体均与太阳能帆板(2)电连接。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、工作航天器(1)向翻滚非合作目标(4)接近，使目标(4)停靠在机械臂工作空间内且工作航天器(1)处于翻滚非合作目标(4)安全距离范围内；

S2、通过观测系统测量目标(4)角动量矢量H以及自旋轴位置矢量Z_b的方向，两条机械臂展开到初始消旋位置，机械臂末端依次设置的三个连杆展开环绕目标(4)；

S3、太阳能帆板(2)产生电能对三个连杆上设置的电磁体进行通电，产生磁场对目标(4)进行消旋，直至目标(4)的旋转角速度减小到限制值以下；调整机械臂位置，使磁场的磁感线(5)方向与目标(4)剩余旋转角垂直，产生洛伦茨力阻尼其旋转运动；

S4、当目标(4)旋转速度降低至允许范围后，调整机械臂，利用末端执行器(6)对目标(4)进行抓捕工作。

7.根据权利要求6所述的一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置的工作方法，其特征在于，步骤S1中，安全距离为保证消旋过程中扰动不会使目标(4)碰撞到机械臂。

8.根据权利要求6所述的一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置的工作方法，其特征在于，步骤S2中，三个连杆展开后距离目标(4)的距离大于等于安全距离。

9.根据权利要求6所述的一种空间非合作目标电磁涡流消旋抓捕装置的工作方法，其特征在于，步骤S4中，允许范围由抓捕机构和追踪航天器的结构强度、追踪航天器的姿态稳定系统性能以及机械臂的工作空间因素决定。