CN109434862B - 一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，包括摩擦球、摩擦球动力装置、摩擦球约束装置和线性模组离合装置。摩擦球动力装置，用于提供摩擦球二维方向滚动动力；摩擦球约束装置，为处于自由空间内的摩擦球提供全向约束，固定连接在空间目标操控机构的末端，在空间目标操控机构的驱动下携带摩擦球移动，线性模组离合装置，在摩擦球未与抓捕对象接触时，控制摩擦球动力装置与摩擦球分离，使摩擦球与抓捕对象表面接触被动跟随旋转；当摩擦球与抓捕对象表面完全接触后，控制摩擦球动力装置与摩擦球接触，使摩擦球在全向滚动动力的作用下运动；摩擦球，通过与抓捕对象接触在接触面上产生的摩擦力实现对接触对象的运动控制。

Description

一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器

技术领域

本发明是一种基于全向轮主动摩擦原理的面向二维空间的航天器空间抓取末端执行器，属于机械设计技术领域。

背景技术

空间运行的航天器需要各种在轨服务。失效超龄的航天器需要及时清理出运行轨道。在轨服务与清理过程中执行机构的抓取稳定性和抓取效率决定了整个任务的成败。

随着航天技术的发展，空间对接由合作目标对接向非合作目标对接发展。利用非合作目标对接技术可实现空间任意飞行器之间的对接，扩展空间活动范围，如实现空间垃圾清理、卫星回收、燃料补给、零件更换、系统升级等空间活动。

自上世纪末期，国内外开始研究空间非合作目标对接技术，主要是以空间机器臂系统为手段。在非合作目标对接技术中，抓捕空间目标是空间机械臂系统执行任务的重要环节，该环节不可避免碰撞的发生。碰撞可能引起设备损坏，甚至导致抓捕任务失败。因此，必须采取措施对抓捕目标过程中的碰撞加以抑制。本发明利用主动摩擦技术，将抓捕目标时的碰撞力控制在可承受范围之内，实现对非合作目标的安全、稳定抓捕。

自上世纪九十年代，空间机械臂开始应用于航天器，其相关研究也得到了很大发展。其中，美国、日本及加拿大等国家的研究水平领先于其他国家。1997年日本成功发射了ETS-VII卫星，这是世界上第一个空间机械臂系统，如图1-1所示。空间机械臂系统由作为系统基座的航天器平台和至少一个空间机械臂组成。按照基座位姿控制状况的不同，可将空间机械臂系统分为四种模式：基座位姿机动模式、基座位姿固定模式、自由飞行模式及自由漂浮模式；自由漂浮模式下的空间机械臂系统的基座位置和基座姿态均不受控制，系统基座受机械臂的反作用而自由运动，当系统无外力和外力矩作用时，其动量守恒；自由漂浮模式不仅使燃料得到节省，系统工作时间得以延长，还可实现平滑机器人末端运动的目的。因此，需要可有效解决非合作目标的自旋运动被动消旋抓捕问题的末端执行机构。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，解决非合作目标的自旋运动被动消旋抓捕问题。

本发明的技术解决方案是：一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，该末端执行器包括摩擦球、摩擦球动力装置、摩擦球约束装置和线性模组离合装置；其中：

摩擦球动力装置，用于提供摩擦球二维方向滚动动力；

摩擦球约束装置，为处于自由空间内的摩擦球提供全向约束，将摩擦球限定在一定的空间范围内旋转；固定连接在空间目标操控机构的末端，在空间目标操控机构的驱动下携带摩擦球移动；

线性模组离合装置，用于控制摩擦球动力装置与摩擦球的相对位置，在摩擦球未与抓捕对象接触时，控制摩擦球动力装置与摩擦球分离，使摩擦球与抓捕对象表面接触被动跟随旋转；当摩擦球与抓捕对象表面完全接触后，控制摩擦球动力装置与摩擦球接触，使摩擦球在全向滚动动力的作用下运动；

摩擦球，通过与抓捕对象接触在接触面上产生的摩擦力实现对接触对象的运动控制。

所述摩擦球约束装置包括从动悬架和多个单向弹性装置，从动悬架固定连接在空间目标操控机构末端，多个单向弹性装置均匀分布，一端在从动悬架边缘，另一端悬空，向下形成多个向心的抓手，用于环抱着摩擦球，单向弹性装置悬空端装有全向球轴承，全向球轴承与摩擦球接触，实时施加摩擦球径向的预紧力。

所述从动悬架中心处设有全向球轴承，用于保证摩擦球的旋转运动的同时，限制摩擦球向上运动。

所述线性模组离合装置包括离合电机、螺杆、螺母，螺杆位于摩擦球约束装置的正上方，当摩擦球静置于摩擦球约束装置内时，螺杆的延长线过摩擦球的球心，螺母与摩擦球动力装置固定连接，摩擦球动力装置沿螺母旋转方向限位，螺杆通过轴承与摩擦球约束装置连接，带摩擦球动力装置的螺母与螺杆配合构成滚珠丝杠结构，电机驱动螺杆旋转，螺母带动摩擦球动力装置沿螺杆做直线移动。

所述螺杆两端设有限位装置，使得螺母带动摩擦球动力装置只能在一定范围内做直线移动。

所述摩擦球动力装置包括主动悬架、四个欧姆尼轮轮组、四个伺服电机和四个减速器；

主动悬架包括中心设有通孔的平板结构，该平板结构中心穿过线性模组离合装置的螺母，与螺母固定连接，平板结构外周固定连接四个支杆，四个支杆的另一端悬空，每组欧姆尼轮组通过轴承与支杆的悬空端连接，欧姆尼轮组的轮面与支杆平行，同时，欧姆尼轮组中心轴还连接在减速器上，减速器由伺服电机驱动旋转，进一步带动欧姆尼轮轮组旋转；支杆的长度、欧姆尼轮的半径和支杆与平板结构的夹角适当，使得当欧姆尼轮边缘与摩擦球相切时，欧姆尼轮组中心与球心的连线与支杆垂直。

所述欧姆尼轮组包括两个及两个以上的直径相同的欧姆尼轮，欧姆尼轮平行安装，同时垂直于支杆。

相邻的两个欧姆尼轮的从动轮交错安装，保证欧姆尼轮组的边缘，在欧姆尼轮组与摩擦球接触时，每个欧姆尼轮组始终有从动轮与球面接触。

所述面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器还包括测量传感器，用来测量摩擦球表面相对于每个全向球轴承运动的方向和速度。

所述摩擦球表面覆有橡胶涂层。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明末端执行器通过一个可以二维控制的摩擦球与抓捕对象表面接触，通过多条机械臂的协同控制实现抓捕对象的抓捕和操控。

(2)、本发明突破传统抓捕机械臂末端手爪式或夹片式的执行机构模式。采用全新的摩擦轮是接触控制模式，有效解决非合作目标的自旋运动被动消旋抓捕问题，抓捕效率更高，抓捕方案更加智能；

(3)、本发明在摩擦球动力装置、摩擦球约束装置之间设置线性模组离合装置，在需要提供动力时与摩擦球接触，在不需要提供动力时与摩擦球分离，使得摩擦球能够与抓捕对象表面接触被动跟随旋转，完成被动消旋；

(4)、本发明全向接触轴承安装在单向弹性装置上，弹性装置实时施加摩擦球体径向的预紧力；

(5)、本发明摩擦球约束装置从动悬架顶部中心处朝下设有球轴承，用于保证摩擦球的旋转运动的同时，限制摩擦球向上运动。

附图说明

图1为本发明实施例一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器整体结构框图；

图2为本发明实施例一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器俯视图。

附图标记说明：1、螺杆；2、螺母；3、平板结构；4、从动悬架；5、伺服电机、6、支杆；7、伺服电机；8、减速器；9、欧姆尼轮组；10、摩擦球；11、加强筋；12、单向弹性装置；13、全向球轴承。

具体实施方式

本发明提供了一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，该末端执行器作为空间抓捕机械臂的末端执行机构，可有效解决非合作目标的自旋运动被动消旋抓捕问题。

如图1、图2所示，该面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，包括摩擦球10、摩擦球动力装置、摩擦球约束装置和线性模组离合装置；其中：

摩擦球动力装置，用于提供摩擦球10二维方向滚动动力；

摩擦球约束装置，为处于自由空间内的摩擦球10提供全向约束，将摩擦球10限定在一定的空间范围内旋转；通过机械臂转换接口1固定连接在空间目标操控机构的末端，在空间目标操控机构的驱动下携带摩擦球移动；

线性模组离合装置，用于控制摩擦球动力装置与摩擦球的相对位置，在摩擦球未与抓捕对象接触时，控制摩擦球动力装置与摩擦球分离，使摩擦球与抓捕对象表面接触被动跟随旋转；当摩擦球与抓捕对象表面完全接触后，控制摩擦球动力装置与摩擦球接触，使摩擦球在全向滚动动力的作用下运动；

摩擦球，通过与抓捕对象接触在接触面上产生的摩擦力实现对接触对象的运动控制。

如图2所示，四个耦合的欧姆尼轮90°平均分布，对角线的两个为一组两，每组一个主动轮一个从动轮，与摩擦球紧密接触，实现摩擦球的两自由度控制。摩擦球由全向轴承约束与抓捕对象接触，通过接触产生的摩擦力实现对接触对象的控制。

所述摩擦球约束装置包括从动悬架4和多个单向弹性装置12，从动悬架4固定连接在空间目标操控机构末端，多个单向弹性装置12均匀分布，一端在从动悬架4边缘，另一端悬空，向下形成多个向心的抓手，用于环抱着摩擦球9，单向弹性装置8悬空端装有全向球轴承13，全向球轴承13在摩擦球10水平面下成45°角位置与摩擦球接触，实时施加摩擦球径向的预紧力。单向弹性装置8靠近从动悬架的部位设有加强筋12，防止单向弹性装置变形。多个全向接触轴承固定在被动悬架上，通过弹性装置保持与摩擦球的实时接触，从而实现对摩擦球的全向约束。所述单向弹性装置12可以是折臂杆，可以是端部带弹簧部件的直杆。

所述从动悬架顶部中心处朝下设有全向球轴承，用于保证摩擦球的旋转运动的同时，限制摩擦球向上运动。

所述线性模组离合装置包括离合电机、螺杆1、螺母2，螺杆位于摩擦球约束装置的正上方，当摩擦球静置于摩擦球约束装置内时，螺杆的延长线过摩擦球的球心，螺母固定在摩擦球动力装置中心，摩擦球动力装置沿螺母旋转方向限位，螺杆通过轴承与摩擦球约束装置连接，带摩擦球动力装置的螺母与螺杆配合构成滚珠丝杠结构，电机驱动螺杆旋转，螺母带动摩擦球动力装置沿螺杆做直线移动。

所述螺杆两端设有限位装置，使得带动摩擦球动力装置的螺母只能在一定范围内做直线移动。

所述摩擦球动力装置包括主动悬架、四个欧姆尼轮轮组、四个伺服电机7和四个减速器8。

主动悬架包括中心设有通孔的平板结构3，该平板结构中心穿过线性模组离合装置的螺母，与螺母固定连接，平板结构外周固定连接四个支杆6，四个支杆6的另一端悬空，每组欧姆尼轮组通过轴承与支杆6的悬空端连接，欧姆尼轮组的轮面与支杆6平行，同时，欧姆尼轮组中心轴还连接在减速器8上，减速器8由伺服电机7驱动旋转，进一步带动欧姆尼轮轮组9旋转；支杆的长度、欧姆尼轮组的半径和支杆与平板结构的夹角适当，使得当欧姆尼轮边缘与摩擦球相切时，欧姆尼轮组中心与摩擦球球心的连线与支杆垂直。四个耦合的欧姆尼轮分别由四个伺服电机驱动，与摩擦球紧密接触，实现摩擦球的六自由度全向控制，摩擦球由全向全向球轴承约束与抓捕对象接触，通过接触产生的摩擦力实现对接触对象的控制。

由上可知，四个耦合的欧姆尼轮固定在主动悬架上，主动悬架由线性模组离合装置驱动。在末端执行器未与抓捕对象接触时，主动悬架与摩擦球分离，摩擦球与抓捕对象表面接触被动跟随旋转；当摩擦球与抓捕对象表面完全接触后，摩擦球动力装置介入，线性模组离合装置驱动四个耦合的欧姆尼轮与摩擦球接触提供动力并实现对抓捕对象的控制。也就是说四个耦合的欧姆尼轮固定在主动悬架上，在需要提供动力时与摩擦球接触，在不需要提供动力时与摩擦球分离。

所述欧姆尼轮组包括两个及两个以上的直径相同的欧姆尼轮，欧姆尼轮平行安装，均垂直于支杆。

相邻的两个欧姆尼轮的从动轮交错安装，保证欧姆尼轮组的边缘，在欧姆尼轮组与摩擦球接触时，每个欧姆尼轮组始终有从动轮与球面接触。

摩擦球与抓捕对象接触，球体与抓捕对象的摩擦力大小决定了抓捕效果。采用摩擦材料橡胶涂层方法在摩擦球表面涂覆一层具有粘性的大摩擦力涂层，可以保证抓捕时具有良好的摩擦效果。摩擦材料由高分子粘结剂、增强纤维和合成橡胶组成。

末端执行器通过一个可以全向控制的摩擦球与抓捕对象表面接触，与测量传感器、驱动控制器共同构成末端执行终端，通过多条机械臂的协同控制实现抓捕对象的抓捕和操控。

可以采用非接触式分布式耦合测量方法，在被动悬架上耦合分布个激光测量传感器，用于检测至少四个全向球轴承运动的方向和速度；摩擦球通过两组耦合的欧姆尼轮驱动，需要通过算法把摩擦球与抓捕对象表面接触的运动解耦成两个欧姆尼轮的运动；再通过把接触式分布式耦合测量传感器检测摩擦球的二维方向的运动解耦成两个欧姆尼轮的驱动方向的运动实现摩擦球运动的闭环控制。

本发明有利于突破基于高压流体传动原理的空间碎片自旋运动被动消旋、空间主动接近、飞行器自适应控制等关键技术，促进针对大质量、大尺寸空间碎片的新型抓捕机构等原理样机研制及地面试验技术提高，突破空间碎片主动接近技术、针对大质量、大尺寸空间碎片的新型抓捕机构技术。

本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于：包括摩擦球、摩擦球动力装置、摩擦球约束装置和线性模组离合装置；其中：

摩擦球动力装置，用于提供摩擦球二维方向滚动动力；

摩擦球约束装置，为处于自由空间内的摩擦球提供全向约束，将摩擦球限定在一定的空间范围内旋转；固定连接在空间目标操控机构的末端，在空间目标操控机构的驱动下携带摩擦球移动；

线性模组离合装置，用于控制摩擦球动力装置与摩擦球的相对位置，在摩擦球未与抓捕对象接触时，控制摩擦球动力装置与摩擦球分离，使摩擦球与抓捕对象表面接触被动跟随旋转；当摩擦球与抓捕对象表面完全接触后，控制摩擦球动力装置与摩擦球接触，使摩擦球在全向滚动动力的作用下运动；

摩擦球，通过与抓捕对象接触在接触面上产生的摩擦力实现对接触对象的运动控制。

2.根据权利要求1所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于所述摩擦球约束装置包括从动悬架和多个单向弹性装置，从动悬架固定连接在空间目标操控机构末端，多个单向弹性装置均匀分布，一端在从动悬架边缘，另一端悬空，向下形成多个向心的抓手，用于环抱着摩擦球，单向弹性装置悬空端装有全向球轴承，全向球轴承与摩擦球接触，实时施加摩擦球径向的预紧力。

3.根据权利要求2所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于所述从动悬架中心处设有全向球轴承，用于保证摩擦球的旋转运动的同时，限制摩擦球向上运动。

4.根据权利要求1所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于所述线性模组离合装置包括离合电机、螺杆、螺母，螺杆位于摩擦球约束装置的正上方，当摩擦球静置于摩擦球约束装置内时，螺杆的延长线过摩擦球的球心，螺母与摩擦球动力装置固定连接，摩擦球动力装置沿螺母旋转方向限位，螺杆通过轴承与摩擦球约束装置连接，带摩擦球动力装置的螺母与螺杆配合构成滚珠丝杠结构，电机驱动螺杆旋转，螺母带动摩擦球动力装置沿螺杆做直线移动。

5.根据权利要求4所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于所述螺杆两端设有限位装置，使得螺母带动摩擦球动力装置只能在一定范围内做直线移动。

6.根据权利要求5所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于所述摩擦球动力装置包括主动悬架、四个欧姆尼轮组、四个伺服电机和四个减速器；

主动悬架包括中心设有通孔的平板结构，该平板结构中心穿过线性模组离合装置的螺母，与螺母固定连接，平板结构外周固定连接四个支杆，四个支杆的另一端悬空，每组欧姆尼轮组通过轴承与支杆的悬空端连接，欧姆尼轮组的轮面与支杆平行，同时，欧姆尼轮组中心轴还连接在减速器上，减速器由伺服电机驱动旋转，进一步带动欧姆尼轮组旋转；支杆的长度、欧姆尼轮的半径和支杆与平板结构的夹角适当，使得当欧姆尼轮边缘与摩擦球相切时，欧姆尼轮组中心与球心的连线与支杆垂直。

7.根据权利要求6所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于所述欧姆尼轮组包括两个以上的直径相同的欧姆尼轮，欧姆尼轮平行安装，同时垂直于支杆。

8.根据权利要求7所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于相邻的两个欧姆尼轮的从动轮交错安装，保证欧姆尼轮组的边缘，在欧姆尼轮组与摩擦球接触时，每个欧姆尼轮组始终有从动轮与球面接触。

9.根据权利要求3所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于还包括测量传感器，用来测量摩擦球表面相对于每个全向球轴承运动的方向和速度。

10.根据权利要求1所述的一种面向二维空间摩擦应用的主动摩擦末端执行器，其特征在于所述摩擦球表面覆有橡胶涂层。

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