CN110104228A - 一种具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，若干个夹头的一端位于壳体外，另一端通过壳体端面开口伸入壳体内，且铰接在伸缩杆一端，铰接处安装有扭簧；伸缩杆受驱动沿壳体轴向往复运动，带动夹头伸出或缩进壳体，夹头伸出壳体时，夹头在扭簧作用下沿壳体径向向外张开；夹头缩进壳体时受壳体端面开口挤压，夹头收拢，抓捕目标；夹头与目标接触部位安装有压力传感器，反馈控制伸缩杆的运动。本发明结构小巧简便，成本低，省力，使用寿命长，自动定心，夹紧可靠，可以实现多种目标的连续抓捕和释放，且其夹头组件具有自适应性，接口适用性广，在失控卫星的修复、辅助入轨、离轨等空间操作任务中具有较大的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于航天技术领域，具体涉及一种空间抓捕装置。
背景技术
人类对外太空的探索活动逐渐增加，带来效益的同时也对空间环境也产生了持续深远的影响，太空中残留的火箭末级、失效卫星、航天器任务抛弃物、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展已构成了巨大威胁。据美国空间监视网估计，目前在轨的空间碎片中尺寸大于10cm的约有20000～22000个；尺寸大于1cm的约有500000个；而尺寸大于1mm的空间碎片的数量大于100,000,000个，按照尺寸可以将空间碎片分为小型碎片、大型碎片及介于两者之间的危险碎片。
空间碎片大多是非合作目标，由于目标已失去姿态调整能力，且长期处于失控状态运行，受太阳光压、重力梯度等摄动力矩及失效前自身残余角动量的影响，往往会出现复杂的旋转运动，乃至最终趋向于自由翻滚运动。
就非合作目标运动形式而言，在空间摄动力矩作用下，目标往往会表现出复杂的翻滚运动形式，其典型运动形式可分为三种：绕最小惯量轴的自旋运动(图1中(a))、绕最大惯量轴的平旋运动(图1中(b))以及存在章动角的翻滚运动(图1中(c))。
空间碎片的主动移除技术已成为目前航天领域研究的热点。空间碎片主动移除的首要关键是实施在轨捕获。非合作目标对接技术与合作目标对接技术不同，它的对接目标是没有安装特定对接接口的卫星。
现役的大量地球同步轨道通信卫星，在发射以后要进入预定轨道，需要使用远地点发动机来推动。而通常情况下，卫星是要进入地球同步轨道的，因此，运载火箭会将卫星送入同步转移轨道(Geostationary Transfer Orbit)。GTO轨道的远地点在GEO，它的近地点在低地球轨道(LEO)上。GTO是一个椭圆形的。地球同步卫星为了到达同步轨道(GEO)就需要使它的轨道变成圆形，需要通过远地点反冲发动机在远地点完成。此外活动在近地空间的大量侦察卫星，为了具备较强的空间机动能力、灵活的攻防性能、良好的隐蔽性能更需要卫星较好的变轨能力，需要安装变轨发动机。因此选择发动机喷管作为非合作目标对接接口具有广泛的应用前景。一般多选择卫星的远地点反冲发动机(AKM)喷管作为对接接口。
对于此类非合作目标的刚性抓捕而言，抓捕机构需要能够对回转体形对接口、小型失效卫星等进行包络性的可靠抓捕。
目前，在轨服务航天器精确控制能力有限，尚没有实际针对非合作/失效目标开展机械臂精密操作，目前设计的非合作目标刚性抓捕机构一般存在缺少锁紧机构、连接刚度差、捕获可靠性较差、通用性低的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，结构复杂性低，控制要求低，可靠性高，同时具备一定接口自适应能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，包括壳体、夹头、扭簧、伸缩杆和压力传感器。
所述的壳体为中空柱体；若干个夹头的一端位于壳体外，另一端通过壳体端面开口伸入壳体内，且铰接在伸缩杆一端，铰接处安装有扭簧，驱动夹头位于壳体外的一端沿壳体径向向外张开；所述的伸缩杆受驱动沿壳体轴向往复运动，带动夹头伸出或缩进壳体，夹头伸出壳体时，夹头在扭簧作用下沿壳体径向向外张开；夹头缩进壳体时受壳体端面开口挤压，夹头收拢，抓捕目标；所述的夹头与目标接触部位安装有压力传感器，反馈控制伸缩杆的运动，进而调整夹头与目标接触部位的压力。
所述的伸缩杆受可控制液压缸活塞杆的伸缩或者电动机驱动螺纹副进行驱动。
所述的壳体端面开口处安装有向心推力轴承，所述的夹头通过向心推力轴承与壳体接触。
所述的夹头与目标接触部位安装有柔性耐摩防滑垫，所述的压力传感器安装在柔性耐摩防滑垫与夹头之间。
所述的夹头共四个，两两相对均布在壳体端面开口处；当运动到张开极限工位时，夹头之间呈放射状；当运动到夹紧极限工位时，夹头之间呈包络状。
所述的向心推力轴承的外圈、所述的夹头表面均经过化学气相沉积技术进行镀层。
本发明的有益效果是：
(1)前端的抓捕部分结构设计小巧简便，只需通过简单的伸缩杆的直线运动就可以实现四个夹头的良好的自定心夹紧效果，具有结构简单、对称、夹紧可靠性性高的特点。
(2)四个夹头成包络状分别与均布的四个吊耳铰接，整个抓捕结构具备自动定心性。如此的设计使整个简单的夹头组件具有类似于三爪卡盘(蜗轮蜗杆原理)一样良好的自动定心性。
(3)夹紧头部位配有柔性耐磨防滑垫，能够对非合作目标的多种回转体形类型的对接口或小型失效卫星等多种形状尺寸的空间碎片进行稳定抓捕，具有自适应性。
(4)夹头和柔性耐摩防滑垫间设计有压力传感垫片用来将夹紧力作为反馈信号输入到伸缩杆驱动源，以确保对目标进行可靠近似刚性抓捕的同时，又不会损坏对接口。
附图说明
图1是非合作目标三种典型的运动形式示意图；
图2是张开极限工位示意图；
图3是合拢极限工位示意图；
图4是以抓捕AKM喷管为实例的实际抓捕示意图；
图5是伸缩杆和夹头组件三维示意图(未包含柔性耐磨防滑套)；
图6是壳体三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，包括壳体、四个均布的吊耳、四个均布的向心推力轴承、夹头组件、扭簧、柔性耐摩防滑垫、压力传感器、伸缩杆。
该装置安装在服务航天器空间机械臂末端臂上。抓捕部分通过可控制液压缸活塞杆的伸缩或者电动机驱动螺纹副等方式来带动连杆机构使得夹头组件合拢或扩张，达到抓捕或释放效果。
所述夹头组件在伸缩杆的带动下向左运动时，在四个向心推力轴承的挤压下实现合拢效果；所述夹头组件中的四个夹头在伸缩杆的带动下向右运动时，在四个吊耳处扭簧的作用下实现张开效果。
所述向心推力轴承轴承润滑效果良好，并且轴承沿着夹头光滑的上表面滚动，使得整个抓捕动作过程平稳可靠，且只需要伸缩杆驱动源提供较小的伸缩力。
本发明的实施例提供了一种新型的具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，该装置安装在服务航天器空间机械臂末端臂上。抓捕部分通过可控制液压缸活塞杆的伸缩或者电动机驱动螺纹副等方式来带动连杆机构使得夹头组件合拢或扩张，达到抓捕或释放效果。
如图2所示，所述四个夹头为四叶草形状布置。当运动到张开极限工位时，夹头组件呈放射状。图中四个夹头的右端均装配有柔性耐磨防滑套。
如图3所示，所述四个夹头为四叶草形状布置。当运动到夹紧极限工位时，夹头组件成包络状。
如图5所示，夹头和向心推力轴承的尺寸及相对位置的设计决定了到整个夹头组件张开的极限开度，可依据实际需求而设定。
下面本发明的具体工作过程如下：(以抓捕卫星的远地点反冲发动机(AKM)喷管为例)
服务航天器发现目标后，进行路径规划，不断接近目标，到达一定安全区域后进行停驻，随后在视觉系统的辅助下进行机械臂操作的控制。
如图4所示，本发明的实施例包括壳体1、四个均布的吊耳2、四个均布的向心推力轴承及其组件3、夹头组件4、扭簧、柔性耐摩防滑垫5、作为失控卫星对接接口的AKM喷管6、压力传感垫片7、伸缩杆8。该装置安装在服务航天器空间机械臂末端臂上。抓捕部分通过可控制液压缸活塞杆的伸缩或者电动机驱动螺纹副等方式来带动连杆机构使得夹头组件合拢或扩张，达到抓捕或释放效果。
所述的壳体1与伸缩杆8之间为间隙配合。壳体1内圆周的凸台上加工有四个均布的吊耳用以容纳向心推力轴承。
所述的向心推力轴承润滑效果良好，且其轴向尺寸略大于夹头的宽度。轴承的外圈、夹头上表面均经过化学气相沉积(PVD)等防止太空冷焊接相关技术进行镀层，延长了该抓捕机构的使用寿命。
所述的夹头组件4在伸缩杆8的带动下向左运动时，在向心推力轴承组件3的挤压下实现合拢效果；夹头组件4在伸缩杆8的带动下向右运动时在吊耳2处四个扭簧的作用下实现张开效果。
所述的夹紧头部位配有柔性耐磨防滑垫，可对非合作目标的多种回转体形类型的对接口或小型失效卫星等多种形状尺寸的空间碎片进行稳定抓捕，具有自适应性。
所述的夹头4和柔性耐摩防滑垫5间设计有压力传感垫片7用来将夹紧力作为反馈信号输入到伸缩杆驱动源，以确保对目标进行可靠近似刚性抓捕的同时，又不会损坏对接口。
所述夹头组件中的四个夹头成包络状分别与均布的四个吊耳2铰接，整个抓捕结构具备自动定心性。如此的设计使整个简单的夹头组件具有类似于三爪卡盘(蜗轮蜗杆原理)一样良好的自动定心性。
所述的伸缩杆无论是采用液压式还是电机驱动螺纹副等式，其向右运动的行程均须受限，以确保伸缩杆8与轴承组件3不发生碰撞。
所述的伸缩杆8径向尺寸应当小于壳体内壁上对应两吊耳之间的间距，以便于装配。
在机械臂末端动作过程中，首先伸缩杆开始伸出，夹头随之张开，直到夹头完全包络AKM喷管恰当位置时，控制系统伸缩杆开始回缩，夹头组件随之合拢。通过夹头和柔性耐摩防滑垫间设有的压力传感垫片把夹紧力作为反馈信号输入到伸缩杆驱动源，以确保对目标进行可靠近似刚性抓捕的同时，又不会损坏对接口。
抓捕完成，服务航天器就可以开始根据需求对该目标实施诸如失控卫星的消旋、在轨修复、燃料加注、辅助入轨、离轨等一系列空间操作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，依据本发明技术实质所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，包括壳体、夹头、扭簧、伸缩杆和压力传感器，其特征在于：所述的壳体为中空柱体；若干个夹头的一端位于壳体外，另一端通过壳体端面开口伸入壳体内，且铰接在伸缩杆一端，铰接处安装有扭簧，驱动夹头位于壳体外的一端沿壳体径向向外张开；所述的伸缩杆受驱动沿壳体轴向往复运动，带动夹头伸出或缩进壳体，夹头伸出壳体时，夹头在扭簧作用下沿壳体径向向外张开；夹头缩进壳体时受壳体端面开口挤压，夹头收拢，抓捕目标；所述的夹头与目标接触部位安装有压力传感器，反馈控制伸缩杆的运动，进而调整夹头与目标接触部位的压力。
2.根据权利要求1所述的具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，其特征在于：所述的伸缩杆受可控制液压缸活塞杆的伸缩或者电动机驱动螺纹副进行驱动。
3.根据权利要求1所述的具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，其特征在于：所述的壳体端面开口处安装有向心推力轴承，所述的夹头通过向心推力轴承与壳体接触。
4.根据权利要求1所述的具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，其特征在于：所述的夹头与目标接触部位安装有柔性耐摩防滑垫，所述的压力传感器安装在柔性耐摩防滑垫与夹头之间。
5.根据权利要求1所述的具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，其特征在于：所述的夹头共四个，两两相对均布在壳体端面开口处；当运动到张开极限工位时，夹头之间呈放射状；当运动到夹紧极限工位时，夹头之间呈包络状。
6.根据权利要求1所述的具有自适应性的欠驱动空间抓捕装置，其特征在于：所述的向心推力轴承的外圈、所述的夹头表面均经过化学气相沉积技术进行镀层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ning Xin Inventor after: Jia Fudao Inventor after: Wang Yu Inventor after: Yue Xiaokui Inventor before: Jia Fudao Inventor before: Ning Xin Inventor before: Wang Yu Inventor before: Yue Xiaokui |