CN110143299B - 一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂‑绳系机构，属于航空航天技术领域。本发明主要由机械臂驱动电机、安装平台、三条以上机械臂组成的机械臂包络、安装在机械臂末端的收缩绳索和用于绳索收缩的封闭式卷筒构成。本发明通过机械臂驱动电机驱动机械臂实现机械臂包络扩张或收缩，进而调整机械臂包络空间大小，利用机械臂包络的大变形能力抓捕不同体积的空间碎片，末端的绳索或其他带状柔性介质吸收部分撞击能量。本发明无需被抓捕的空间碎片提供主动对接点，能够实现对处于旋转状态空间碎片的抓捕；与鱼叉式抓捕相比不会对空间碎片造成破坏；与绳网式抓捕相比，执行抓捕动作的的逆过程能够释放空间碎片，且具有折叠性以减小空间占用。

Description

一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构

技术领域

本发明涉及一种空间碎片抓捕机构，属于航空航天技术领域。

背景技术

空间轨道资源正在被越来越多的空间碎片所侵占，清理空间碎片对保障航天器安全运行具有重大意义，对空间碎片进行抓捕是目前清理空间碎片的主要环节。在目前已有的抓捕方式中，机械臂抓捕需要目标提供主动对接点、且对旋转目标操作难度大，渔网式的捕获过程不可逆，鱼叉有可能破坏目标造成更多碎片。因此需要一种空间碎片的抓捕方式来克服上述缺陷。

发明内容

为了克服现有抓捕方式的不足，本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构要解决的技术问题是：无需被抓捕的空间碎片提供主动对接点，且能够避免对空间碎片造成破坏，实现对旋转状态下的空间碎片的抓捕，能可逆的释放碎片，且具有折叠性以减小空间占用。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，主要由机械臂驱动电机、安装平台、三条以上机械臂组成的机械臂包络、安装在机械臂末端的收缩绳索和用于绳索收缩的封闭式卷筒构成。所述封闭式卷筒包括封闭式卷筒本体和卷筒驱动电机。安装平台与卫星本体进行连接，每条机械臂均有两个以上关节，每个关节均为柱铰链接，并由机械臂驱动电机进行驱动，三条以上机械臂形成的机械臂包络用于空间碎片的抓捕。机械臂驱动电机驱动机械臂实现收拢、扩张与折叠，进而控制机械臂包络空间。底部收缩绳索由封闭式卷筒进行驱动，收缩绳索一端与封闭式卷筒的转动部分连接，依次穿过其余机械臂末端的孔，另一端与封闭式卷筒的固定部分连接，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒控制绳索收缩，通过控制收缩绳索的收缩实现对空间碎片的抓捕，此外，通过机械臂收拢与折叠形成的机械臂构包络作为抓捕空间碎片的辅助手段。

所述机械臂驱动电机包括顶部驱动电机和中间驱动电机。

所述的三条以上机械臂与安装平台连接的柱铰轴线在一个平面内，机械臂与安装平台连接的柱铰轴线所在平面与安装平台平行。

所述的机械臂末端的孔轴线与机械臂中心线垂直，并能够以机械臂中心线为轴线自由旋转。

在三条以上机械臂组成的机械臂包络外布设弹性网。

机械臂条数越多，对空间碎片捕获越牢固，机械臂条数越多，成本越高，质量越重，机械臂条数根据捕获空间碎片大小和实际使用需求而定。作为优选，机械臂数量四条。

每条机械臂关节数量根据使用需求而定，每条机械臂关节数量优选两个。

为了提高对空间碎片捕获的可靠性，增加收缩绳索机构的绳索数量。

为了提高对空间碎片捕获的可靠性，收缩绳索替换为带状柔性介质。

所述三条以上机械臂指包括三条及三条以上机械臂，两个以上关节指包括两个或两个以上关节。

本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构的工作方法为：

步骤一：未执行抓捕任务前，三条以上机械臂处于折叠状态，减少火箭发射时对载荷空间的占用。

步骤二：将机构展开，当执行抓捕任务时，包括如下两种抓捕方式：

方式一：当末端的收缩绳索位于空间碎片中间位置时，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒控制收缩绳索收缩，使收缩绳索绳口不断收缩，最终收缩绳索将空间碎片稳定捆绑，完成空间碎片抓捕。

方式二：当空间碎片体积大于当前机械臂包络，通过机械臂驱动电机驱动机械臂实现机械臂包络扩张；当空间碎片进入到机械臂包络内部时，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒控制收缩绳索收缩，带动机械臂包络收缩，最终机械臂包络将空间碎片固定在包络内部，完成空间碎片抓捕。

步骤三：当步骤二抓捕到空间碎片后，将空间碎片回收至预设位置，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒控制收缩绳索放开，通过机械臂驱动电机驱动机械臂实现机械臂包络扩张或调整空间碎片放置姿态，将空间碎片放至预设位置，完成单次抓捕到空间碎片任务。

步骤四：按照步骤二至步骤三执行下一次抓捕任务，直至完成抓捕任务。

本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，当三条以上机械臂组成的机械臂包络外布设弹性网，弹性网随着机械臂包络扩张与收缩，抓捕空间碎片过程中，弹性网用于防止空间碎片漏出，提高抓捕可靠性。

有益效果：

1、本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，通过机械臂驱动电机驱动机械臂实现机械臂包络扩张或收缩，进而调整机械臂包络空间大小，利用机械臂包络的大变形能力抓捕不同体积的空间碎片。

2、本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，末端的绳索或其他带状柔性介质吸收部分撞击能量。绳索对空间碎片的固定方式为线接触，对于表面粗糙的空间碎片具有更好的抓捕稳定性，其他带状柔性介质为面接触，提高对空间碎片捕获的可靠性。

3、本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，当三条以上机械臂组成的机械臂包络外布设弹性网，弹性网随着机械臂包络扩张与收缩，抓捕空间碎片过程中，弹性网用于防止空间碎片漏出，提高抓捕可靠性。

4、本发明公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，与已有的机械臂式抓捕相比，无需被抓捕的空间碎片提供主动对接点，能够实现对处于旋转状态空间碎片的抓捕；与鱼叉式抓捕相比不会对空间碎片造成破坏；与绳网式抓捕相比，执行抓捕动作的的逆过程可以释放空间碎片，且具有折叠性以减小空间占用。

附图说明

图1为用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构示意图；

图2为本发明机械臂包络示意图；

图3为本发明末端收缩绳索示意图；

图4为本发明的折叠状态示意图；

其中：1-机械臂包络、2-收缩绳索、3-安装平台、4-顶部驱动电机、5-中间驱动电机、6-上臂杆、7-中臂杆、8-封闭式卷筒。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1、图2、图3所示，本实施例公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，包括安装平台3、机械臂包络1、一条收缩绳索2和用于绳索收缩的封闭式卷筒8。所述的机械臂包络由四条机械臂组成，每条机械臂有两个关节，每条机械臂由顶部驱动电机4、中间驱动电机5、上臂杆6、中臂杆7组成。本实施例公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构抓捕方法包括如下步骤：

步骤一：在所述一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构装入火箭发射时，顶部驱动电机4驱动上臂杆6向内折叠，中间驱动电机5驱动中臂杆7向上折叠，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2收紧并锁死，顶部驱动电机4与中间驱动电机5断电，如图4所示，此时为本发明的折叠状态。

步骤二：当准备执行抓捕任务时，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2放松，同时中间驱动电机5驱动中臂杆7向下展开，顶部驱动电机4驱动上臂杆6向外展开，达到如图1所示的构型。通过服务卫星位置与姿态机动调整空间碎片与机构的相对位置。当末端收缩绳索2位于空间碎片的中间位置时，中间驱动电机5断电，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2缓慢收缩，直到收缩绳索2将空间碎片完全捆绑时，完成空间碎片的抓捕。

步骤三：当步骤二成功抓捕空间碎片，服务卫星运动到指定回收位置后，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2放松，同时中间驱动电机5驱动中臂杆7向外展开，将空间碎片释放，完成单次空间碎片抓捕任务。

步骤四：按照步骤二至步骤三执行下一次抓捕任务，直至完成全部抓捕任务。

实施例2：

如图1、图2、图3所示，本实施例公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，包括安装平台3、机械臂包络1、一条收缩绳索2和用于绳索收缩的封闭式卷筒8。所述的机械臂包络由四条机械臂组成，每条机械臂有两个关节，每条机械臂由顶部驱动电机4、中间驱动电机5、上臂杆6、中臂杆7组成。本实施例公开的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构抓捕方法包括如下步骤：

步骤一：在所述一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构装入火箭发射时，顶部驱动电机4驱动上臂杆6向内折叠，中间驱动电机5驱动中臂杆7向上折叠，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2收紧并锁死，顶部驱动电机4与中间驱动电机5断电，如图4所示，此时为本发明的折叠状态。

步骤二：当准备执行抓捕任务时，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2放松，同时中间驱动电机5驱动中臂杆7向下展开，顶部驱动电机4驱动上臂杆6向外展开，达到如图1所示的构型。通过服务卫星位置与姿态机动调整空间碎片与机构的相对位置。如果空间碎片体积较大，通过卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2放松，顶部驱动电机4驱动上臂杆6、中间驱动电机5驱动中臂杆7控制机械臂包络1扩张。当空间碎片完全进入机械臂包络1内部后，中间驱动电机5断电，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2缓慢收缩，带动机械臂包络1收缩，直到机械臂包络1将空间碎片稳定限制在机械臂包络1内部时，完成空间碎片的抓捕。

步骤三：当步骤二成功抓捕空间碎片，服务卫星运动到指定回收位置后，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒8控制收缩绳索2放松，同时中间驱动电机5驱动中臂杆7向外展开，将空间碎片释放，完成单次空间碎片抓捕任务。

步骤四：按照步骤二至步骤三执行下一次抓捕任务，直至完成全部抓捕任务。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：主要由机械臂驱动电机、安装平台（3）、三条以上机械臂组成的机械臂包络（1）、安装在机械臂末端的收缩绳索（2）和用于绳索收缩的封闭式卷筒（8）构成；所述封闭式卷筒（8）包括封闭式卷筒本体和卷筒驱动电机；安装平台（3）与卫星本体进行连接，每条机械臂均有两个以上关节，每个关节均为柱铰链接，并由机械臂驱动电机进行驱动，三条以上机械臂形成的机械臂包络（1）用于空间碎片的抓捕；机械臂驱动电机驱动机械臂实现收拢、扩张与折叠，进而控制机械臂包络（1）空间；底部收缩绳索由封闭式卷筒（8）进行驱动，收缩绳索（2）一端与封闭式卷筒（8）的转动部分连接，依次穿过其余机械臂末端的孔，另一端与封闭式卷筒（8）的固定部分连接，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒（8）控制绳索收缩，通过控制收缩绳索（2）的收缩实现对空间碎片的抓捕，此外，通过机械臂收拢与折叠形成的机械臂包络（1）作为抓捕空间碎片的辅助手段；

所述三条以上机械臂指包括三条及三条以上机械臂，两个以上关节指包括两个或两个以上关节。

2.如权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：所述机械臂驱动电机包括顶部驱动电机（4）和中间驱动电机（5）。

3.如权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：所述的三条以上机械臂与安装平台（3）连接的柱铰轴线在一个平面内，机械臂与安装平台（3）连接的柱铰轴线所在平面与安装平台（3）平行。

4.如权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：所述的机械臂末端的孔轴线与机械臂中心线垂直，并能够以机械臂中心线为轴线自由旋转。

5.如权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：在三条以上机械臂组成的机械臂包络（1）外布设弹性网。

6.如权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：机械臂数量四条；每条机械臂关节数量两个。

7.如权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：为了提高对空间碎片捕获的可靠性，增加收缩绳索（2）机构的绳索数量。

8.如权利要求1所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：为了提高对空间碎片捕获的可靠性，收缩绳索（2）替换为带状柔性介质。

9.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：工作方法为，

步骤一：未执行抓捕任务前，三条以上机械臂处于折叠状态，减少火箭发射时对载荷空间的占用；

步骤二：将机构展开，当执行抓捕任务时，包括如下两种抓捕方式：

方式一：当末端的收缩绳索（2）位于空间碎片中间位置时，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒（8）控制收缩绳索（2）收缩，使收缩绳索（2）绳口不断收缩，最终收缩绳索（2）将空间碎片稳定捆绑，完成空间碎片抓捕；

方式二：当空间碎片体积大于当前机械臂包络（1），通过机械臂驱动电机驱动机械臂实现机械臂包络（1）扩张；当空间碎片进入到机械臂包络（1）内部时，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒（8）控制收缩绳索（2）收缩，带动机械臂包络（1）收缩，最终机械臂包络（1）将空间碎片固定在包络内部，完成空间碎片抓捕；

步骤三：当步骤二抓捕到空间碎片后，将空间碎片回收至预设位置，卷筒驱动电机驱动封闭式卷筒（8）控制收缩绳索（2）放开，通过机械臂驱动电机驱动机械臂实现机械臂包络（1）扩张或调整空间碎片放置姿态，将空间碎片放至预设位置，完成单次抓捕到空间碎片任务；

步骤四：按照步骤二至步骤三执行下一次抓捕任务，直至完成抓捕任务。

10.如权利要求9所述的一种用于空间碎片捕获的复合机械臂-绳系机构，其特征在于：当三条以上机械臂组成的机械臂包络（1）外布设弹性网，弹性网随着机械臂包络（1）扩张与收缩，抓捕空间碎片过程中，弹性网用于防止空间碎片漏出，提高抓捕可靠性。

Images