CN109353550B - 一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，属于空间碎片主动清除领域。本发明顶端盖安装在支撑外壳的上部，安装接口安装在支撑外壳的下部且使支撑与保护装置形成上部空腔和下部空腔，捕获爪锁定限位装置固连在支撑外壳上，驱动机构安装在支撑与保护装置的下部空腔内，传动机构安装在支撑与保护装置的上部空腔内，驱动机构和传动机构通过法兰连接，捕获爪的上端固连在传动机构上，安装接口与电控单元系统连接。本发明具有捕获爪结构简单，捕获容差大特点；可与多种空间机械臂上多种消旋装置刚性连接，可适用范围广泛；可以折叠状态发射，整体质量较轻，结构紧凑，节省空间；可重复适用，效率高，在轨可应用时间长，有较好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，属于空间碎片主动清除领域。
背景技术
截至2013年12月31日，美国空间监测网编目的在轨废弃物数量已达16906个，而无法编目的微小废弃物数量超过200亿。空间碎片对航天器的撞击速度可高达15km/s，一旦与航天器发生碰撞，将损伤甚至直接摧毁在轨航天器，具有过程短暂剧烈、后果无法挽回等特点，空间碎片已成为航天器在轨安全运行的最大威胁。
美国、欧洲和日本的空间碎片主动清除研究起步较早，已提出了各自的碎片清除方案，部分关键技术已开展在轨演示验证。但总的来说，当前的发展水平距在轨应用尚有差距，仍处于关键技术突破和掌握阶段
美国国防高级研究计划局(DARPA)正在研制的空间碎片清除技术电动碎片清除器(EDDE)。电动碎片清除器主要由太阳电池翼、电子发射器和飞网管理器组成，各部分通过导线(强化铝带)连接，每个运载火箭可容纳2个这样的清除器。飞网约有几十平方米大小，由位于缆绳末端的飞网管理器进行控制，不能重复使用。
日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)正在研究一种演示验证主动清除空间碎片技术的微小卫星系统空间碎片微型清除器(SDMR)。其优点是节约能源，无需携带推进剂，而是依靠薄膜太阳电池与电动力缆绳产生高效动力；该技术面临的难题是长缆绳与其他物体发生碰撞的可能性，以及再入大气层对地面可能造成的风险。
本发明在国内属于空白领域，相比较美国电动碎片清除器(EDDE)，本发明可重复利用，相比日本空间碎片微型清除器(SDMR)，体积相对较小，无与其他物体发生碰撞的可能，返回大气层时无风险。并能与大多数空间机械臂匹配实用，具有适用范围广、清除单一空间碎片成本低、可清理多数不同形状的空间碎片。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述末端执行器包括支撑与保护装置、驱动机构、传动机构、捕获爪和电控单元系统，支撑与保护装置包括顶端盖、支撑外壳、安装接口和捕获爪锁定限位装置，顶端盖安装在支撑外壳的上部，安装接口安装在支撑外壳的下部且使支撑与保护装置形成上部空腔和下部空腔，捕获爪锁定限位装置固连在支撑外壳上，驱动机构安装在支撑与保护装置的下部空腔内，传动机构安装在支撑与保护装置的上部空腔内，驱动机构和传动机构通过法兰连接，捕获爪的上端固连在传动机构上，安装接口与电控单元系统连接。
本发明一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述传送机构包括动力传递件、滚珠丝母、滚珠丝杠、铰链座、连杆组和摆杆组，动力传递件的下端与驱动机构的输出法兰相连，动力传递件的上端与滚珠丝母的输入法兰相连，滚珠丝母轴向与支撑外壳固连，滚珠丝杠的上端与铰链座固定连接，连杆组的下端与铰链座的上端连接，连杆组的上端与摆杆组的下端连接，摆杆组的中段与顶端盖连接。
本发明一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述捕获爪是一个可折叠展开的多杆机构。
本发明一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述捕获爪包括连接杆、展开装置和捕获杆，连接杆的上端固连在摆杆组上，连接杆的下端固连在展开装置的上端，捕获杆的上端连接在展开装置的下端。
本发明一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述展开装置包括外侧展开架、内侧展开架、转动轴、平键、垫片、深沟球轴承、端盖、限位锁死机构、扭簧和扭簧固定轴，外侧展开架、内侧展开架和转动轴通过深沟球轴承形成铰链转动副，内侧展示架通过平键与转送轴形成周向连接，端盖与外侧展开架固连，端盖固定深沟球轴承轴向，深沟球轴承通过垫片固定转送轴及内侧展开架的轴向固定，限位锁死机构安装在外侧展开架内，扭簧固定轴固连在内侧展开架上，扭簧上端固连在端盖上，扭簧的下端柔性缠绕在扭簧固定轴上。
本发明一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，具有捕获爪结构简单，捕获容差大特点；本发明可与多种空间机械臂上多种消旋装置刚性连接，可适用范围广泛；本发明可以折叠状态发射，整体质量较轻，结构紧凑，节省空间；本发明可重复适用，效率高，在轨可应用时间长，有较好的经济效益。
附图说明
图1为本发明用于主动软捕获空间碎片的末端执行器的半剖截面图。
图2为本发明用于主动软捕获空间碎片的末端执行器的传动机构半剖图。
图3为本发明用于主动软捕获空间碎片的末端执行器的捕获爪的装置图。
图4为本发明用于主动软捕获空间碎片的末端执行器的张开装置的全剖图。
图5为本发明用于主动软捕获空间碎片的末端执行器的张开装置的全剖图。
图6为本发明用于主动软捕获空间碎片的末端执行器的三维立体图。
图7为本发明用于主动软捕获空间碎片的末端执行器的捕获张开状态的三维立体图。
图8为本发明用于主动软捕获空间碎片的末端执行器的捕获闭合状态三维立体图。
附图标记：1为支撑与保护装置；2为驱动机构；3为传动机构；4为捕获爪；5为电控单元系统；1-1为顶端盖；1-2为支撑外壳；1-3为安装接口；1-4为捕获爪锁定限位装置；3-1为动力传递件；3-2为滚珠丝母；3-3为滚珠丝杠；3-4为铰链座；3-5为连杆组；3-6为摆杆组；4-1为连接杆；4-2为展开装置；4-3为捕获杆；4-2-1为外侧展开架；4-2-2为内侧展开架；4-2-3为转动轴；4-2-4为平键；4-2-5为垫片；4-2-6为深沟球轴承；4-2-7为端盖；4-2-8为限位锁死机构；4-2-9为扭簧；4-2-10为扭簧固定轴。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一：如图1-8所示，本实施例所涉及的一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，包括支撑与保护装置、驱动机构、传动机构、捕获爪和电控单元系统，支撑与保护装置包括顶端盖、支撑外壳、安装接口和捕获爪锁定限位装置，顶端盖安装在支撑外壳的上部，安装接口安装在支撑外壳的下部且使支撑与保护装置形成上部空腔和下部空腔，捕获爪锁定限位装置固连在支撑外壳上，驱动机构安装在支撑与保护装置的下部空腔内，传动机构安装在支撑与保护装置的上部空腔内，驱动机构和传动机构通过法兰连接，捕获爪的上端固连在传动机构上，安装接口与电控单元系统连接。
顶端盖安装在支撑外壳的上部，安装接口安装在支撑外壳的下部，形成上下两个空腔体，构成整个末端执行器其它装置和零部件的安装空间与支撑保护装置。捕获爪锁定限位装置固连在支撑外壳上，用于锁定折叠状态下的捕获爪使其处于稳定折叠状态，并对捕获爪张开起限位作用。驱动机构用于驱动末端执行器捕获爪的张开与闭合，保证对末端执行器对空间碎片的有效捕获。
实施例二：如图2所示，本实施例所涉及的一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述传送机构包括动力传递件、滚珠丝母、滚珠丝杠、铰链座、连杆组和摆杆组，动力传递件的下端与驱动机构的输出法兰相连，动力传递件的上端与滚珠丝母的输入法兰相连，滚珠丝母轴向与支撑外壳固连，滚珠丝杠的上端与铰链座固定连接，连杆组的下端与铰链座的上端连接，连杆组的上端与摆杆组的下端连接，摆杆组的中段与顶端盖连接。
动力传递件将驱动机构的旋转运动传递到滚珠丝母上，滚珠丝杠与滚珠丝母构成丝杠螺母对，由于滚珠丝母沿轴向方向被支撑外壳固定，故滚珠丝母在支撑外壳内腔内做圆周旋转运动，并推动滚珠丝杠沿滚珠丝杠轴线方向做往复直线运动。连杆组、铰链座及摆杆与滚珠丝杠对构成两组对称的曲柄滑块机构。在滚珠丝杠沿轴向的往复直线运动的带动下，连杆组将带动摆杆组做往复摆动。并带动捕获爪完成张开和闭合的可重复捕获动作。
实施例三：如图3所示，本实施例所涉及的一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述捕获爪是一个可折叠展开的多杆机构。
实施例四：如图3所示，本实施例所涉及的一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述捕获爪包括连接杆、展开装置和捕获杆，连接杆的上端固连在摆杆组上，连接杆的下端固连在展开装置的上端，捕获杆的上端连接在展开装置的下端。
展开装置和捕获杆可形成一个独立标准机构，可根据捕获目标大小增加展开装置和捕获杆组件数量以增长捕获爪长度。捕获爪在摆杆组往复摆动左右下完成张开闭合动作完成对捕获目标的捕获。
实施例五：如图4和5所示，本实施例所涉及的一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，所述展开装置包括外侧展开架、内侧展开架、转动轴、平键、垫片、深沟球轴承、端盖、限位锁死机构、扭簧和扭簧固定轴，外侧展开架、内侧展开架和转动轴通过深沟球轴承形成铰链转动副，内侧展示架通过平键与转送轴形成周向连接，端盖与外侧展开架固连，端盖固定深沟球轴承轴向，深沟球轴承通过垫片固定转送轴及内侧展开架的轴向固定，限位锁死机构安装在外侧展开架内，扭簧固定轴固连在内侧展开架上，扭簧上端固连在端盖上，扭簧的下端柔性缠绕在扭簧固定轴上。
展开装置安装在连接杆及捕获杆(或两根捕获杆)之间为一个可限定角度并锁定位置的转动机构。展开装置在扭簧扭力作用下带动固连在扭簧上的外侧展开架相对内侧展开架绕传动轴轴线方向旋转，直到锁定限位锁死机构到达限位点，完成展开动作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种用于主动软捕获空间碎片的末端执行器，其特征在于，所述末端执行器包括支撑与保护装置(1)、驱动机构(2)、传动机构(3)、捕获爪(4)和电控单元系统(5)，支撑与保护装置(1)包括顶端盖(1-1)、支撑外壳(1-2)、安装接口(1-3)和捕获爪锁定限位装置(1-4)，顶端盖(1-1)安装在支撑外壳(1-2)的上部，安装接口(1-3)安装在支撑外壳(1-2)的下部且使支撑与保护装置(1)形成上部空腔和下部空腔，捕获爪锁定限位装置(1-4)固连在支撑外壳(1-2)上，驱动机构(2)安装在支撑与保护装置(1)的下部空腔内，传动机构(3)安装在支撑与保护装置(1)的上部空腔内，驱动机构(2)和传动机构(3)通过法兰连接，捕获爪(4)的上端固连在传动机构(3)上，安装接口(1-3)与电控单元系统(5)连接；
传动机构(3)包括动力传递件(3-1)、滚珠丝母(3-2)、滚珠丝杠(3-3)、铰链座(3-4)、连杆组(3-5)和摆杆组(3-6)，动力传递件(3-1)的下端与驱动机构(2)的输出法兰相连，动力传递件(3-1)的上端与滚珠丝母(3-2)的输入法兰相连，滚珠丝母(3-2)轴向与支撑外壳(1-2)固连，滚珠丝杠(3-3)的上端与铰链座(3-4)固定连接，连杆组(3-5)的下端与铰链座(3-4)的上端连接，连杆组(3-5)的上端与摆杆组(3-6)的下端连接，摆杆组(3-6)的中段与顶端盖(1-1)连接；
展开装置(4-2)包括外侧展开架(4-2-1)、内侧展开架(4-2-2)、转动轴(4-2-3)、平键(4-2-4)、垫片(4-2-5)、深沟球轴承(4-2-6)、端盖(4-2-7)、限位锁死机构(4-2-8)、扭簧(4-2-9)和扭簧固定轴(4-2-10)，外侧展开架(4-2-1)、内侧展开架(4-2-2)和转动轴(4-2-3)通过深沟球轴承(4-2-6)形成铰链转动副，内侧展开架(4-2-2)通过平键(4-2-4)与转动轴(4-2-3)形成周向连接，端盖(4-2-7)与外侧展开架(4-2-1)固连，端盖(4-2-7)固定深沟球轴承(4-2-6)轴向，深沟球轴承(4-2-6)通过垫片(4-2-5)固定转动轴(4-2-3)及内侧展开架(4-2-2)的轴向固定，限位锁死机构(4-2-8)安装在外侧展开架(4-2-1)内，扭簧固定轴(4-2-10)固连在内侧展开架(4-2-2)上，扭簧(4-2-9)上端固连在端盖(4-2-7)上，扭簧(4-2-9)的下端柔性缠绕在扭簧固定轴(4-2-10)上；
捕获爪锁定限位装置(1-4)固连在支撑与保护装置(1)上，用于锁定折叠状态下的捕获爪(4)使其处于稳定折叠状态，并对捕获爪(4)张开起限位作用；
捕获爪(4)是一个可折叠展开的多杆机构，捕获爪(4)包括连接杆(4-1)、展开装置(4-2)和捕获杆(4-3)，连接杆(4-1)的上端固连在摆杆组(3-6)上，连接杆(4-1)的下端固连在展开装置(4-2)的上端，捕获杆(4-3)的上端连接在展开装置(4-2)的下端；
展开装置(4-2)在扭簧扭力作用下带动固连在扭簧上的外侧展开架(4-2-1)相对内侧展开架(4-2-2)转动轴(4-2-3)周线方向旋转，直到限位锁死机构(4-2-8)到达限位点，完成展开动作。
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