CN110549342A - 一种末端执行器及目标物的捕获方法 - Google Patents

Abstract

本文公布了一种末端执行器及目标物的捕获方法，末端执行器包括本体，以及设置在本体内的捕获机构和拖动机构，所述拖动机构与本体固定，且所述拖动机构的输出端与所述捕获机构连接，还包括纠偏机构，所述纠偏机构固定在所述本体内，用以束缚目标物而将目标物的偏航角度调整到预设范围内。本文还提供了目标物的捕获方法，包括：捕获目标物、纠偏目标物和拖动目标物。本文涉及空间站机械臂领域，提供了一种末端执行器及目标物的捕获方法，可克服捕获空间容差较小且触碰撞力较大的问题，实现对目标物的姿态纠偏调整，在大容差条件下实现末端执行器对目标物的软接触捕获，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，提高了空间站目标物的捕获成功率。

Description

一种末端执行器及目标物的捕获方法

技术领域

本发明涉及空间站机械臂领域，尤其涉及一种末端执行器及目标物的捕获方法。

背景技术

空间站机械臂是我国航天工程的重大关键技术之一，包括核心舱机械臂和实验舱机械臂。其中，空间站机械臂承担着舱段捕获与转移、仪器设备转移与安装、辅助航天员作业等功能。在轨捕获技术是空间在轨服务技术的重要分支，对合作目标的捕获是通过安装在空间站机械臂或飞行器上的对接机构或者末端执行器实现。安装在机械臂两端的末端执行器是空间机械臂系统的重要组成部分，是实现对空间站目标的捕获、锁定、电气连接等功能的基础重要装置，通常是通过末端执行器抓捕适配器来实现对空间目前的抓捕过程。末端执行器对目标物的成功抓捕是核心舱机械臂成功完成空间站其他任务的前提和关键环节。

目前，国内外应用的空间站机械臂的末端执行器，主要有两类：一类是锥-杆式，另一类是异体同构周边式，上述两类执行器在空间站捕获中存在容差小、纠偏能力低等问题，在大容差或被捕获物姿态变化的情况下捕获成功率较低。随着航天技术、材料科学以及机械科学的不断发展，空间站机械臂末端执行机构不断涌现。最有代表性的是加拿大MDA(MacDonald Dettwiler and Associates Ltd.)公司为国际空间站研制的末端执行器，该末端执行器在空间站能够实现大载荷目标物的捕获，但仍然存在捕获空间容差较小、接触碰撞力较大的问题，对被捕获物姿势和捕获空间具有严格要求，甚至导致捕获失败。

发明内容

本发明提供一种末端执行器及目标物的捕获方法，可克服捕获空间容差较小且触碰撞力较大的问题，实现对目标物的姿态纠偏调整，在大容差条件下实现末端执行器对目标物的软接触捕获，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，提高了空间站目标物的捕获成功率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种末端执行器，包括本体，以及设置在本体内的捕获机构和拖动机构，所述拖动机构与本体固定，且所述拖动机构的输出端与所述捕获机构连接，还包括纠偏机构，所述纠偏机构固定在所述本体内，用以束缚目标物而将目标物的偏航角度调整到预设范围内。

一种可能的设计，所述拖动机构与所述纠偏机构间隔设置，所述捕获机构设置在所述拖动机构和所述纠偏机构之间。

一种可能的设计，所述纠偏机构包括纠偏电机、纠偏环和纠偏钢丝绳，所述纠偏电机和纠偏环固定在所述本体的内壁，多个纠偏钢丝绳交织在所述纠偏环内，用以束缚目标物。

一种可能的设计，所述纠偏环包括上下叠放的纠偏转动环和纠偏固定环，所述纠偏固定环与所述本体固定，所述纠偏转动环与所述本体旋转连接；所述纠偏钢丝绳的一端与所述纠偏固定环连接，另一端与所述纠偏转动环连接；所述纠偏电机的输出端与所述纠偏转动环连接，用以带动所述纠偏转动环转动而使所述纠偏钢丝绳收缩束缚或收起释放目标物。

一种可能的设计，所述纠偏环的内壁设置有容纳槽，用以容纳收起的所述纠偏钢丝绳。

一种可能的设计，所述拖动机构与所述纠偏机构分别设置在所述本体的两端，所述纠偏机构和所述捕获机构平行设置。

一种可能的设计，所述本体的内壁设有环形滑道，所述纠偏转动环通过设置在其外周的所述环形滑道与所述本体连接。

一种可能的设计，所述纠偏电机设置在所述纠偏机构面向所述捕获机构的一侧，所述纠偏转动环通过纠偏连接件与所述纠偏电机连接。

一种可能的设计，所述拖动机构包括丝杆组件和滑动组件，所述丝杆组件与所述捕获机构连接，所述滑动组件设置在所述捕获机构与所述本体之间。

一种可能的设计，所述捕获机构包括捕获电机、捕获环和捕获钢丝绳，所述捕获电机和捕获环都与所述拖动机构连接，多个所述捕获钢丝绳交织在所述捕获环内，用以束缚目标物。

本文还提供了一种目标物的捕获方法，包括：

捕获目标物，所述捕获机构转动束缚目标物；

纠偏目标物，所述纠偏机构转动束缚目标物，调节偏航角度；

拖动目标物，所述拖动机构拖动目标物至末端执行器底部。

本发明实施例的有益效果：

本发明实施例的纠偏机构可实现对目标物的姿态纠偏调整，在大容差条件下实现末端执行器对目标物的软接触捕获，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，提高了空间站目标物的捕获成功率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为根据本公开一实施例的末端执行器示意图；

图2为纠偏机构示意图；

图3为捕获机构示意图；

图4为末端执行器的捕获方法示意图。

附图标记：1-本体、2-拖动电机、3-丝杠、4-捕获电机、5-纠偏电机、6-直线导轨、7-导轨滑块、8-支架、9-捕获连接件、10-捕获环、11-捕获钢丝绳、12-纠偏连接件、13-纠偏环、14-纠偏钢丝绳、15-纠偏电机支架、16-环形滑道、17-捕获电机支架、18-捕获齿轮、19-纠偏齿轮、21-捕获固定环、22-捕获转动环、23-纠偏转动环、24-纠偏固定环、25-第一齿面、26-凹槽、27-第二齿面、28-容纳槽、29-捕获区、30-纠偏区。

具体实施方式

为使本申请的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本申请的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

请参阅图1至图3的本发明实施例的末端执行器。如图1所示，该末端执行器包括本体1，以及设置在本体1内的捕获机构和拖动机构，其中，拖动机构与本体固定，且拖动机构的输出端与捕获机构连接。特别地，该末端执行器还包括纠偏机构，纠偏机构也固定在本体1内，其可束缚目标物而将目标物的偏航角度调整到预设范围内。由此，使得该末端执行器在捕获阶段对俯仰、偏航、径向等参数的容差大，而且大幅度降低了捕获阶段的接触碰撞力。

具体地，如图1所示，本体1呈中空管状，上述纠偏机构和拖动机构分别设置上其顶端和底端，而捕获机构处于纠偏机构和拖动机构之间。就拖动机构而言，其包括丝杆组件，其中，丝杆组件具体又包括拖动电机2和丝杠3，该拖动电机2固定在本体1底部且其输出端设有丝杠3，使得拖动电机2而能够带动丝杠3转动。

就捕获机构而言，如图1和图2所示，其包括捕获电机4、捕获环10和捕获钢丝绳11，其中，捕获环10又分为转动连接的捕获转动环22和捕获固定环21，捕获固定环21设置在捕获转动环22的下侧，该捕获转动环22的底部通过环形转动件与捕获固定环21的连接，使得其可在捕获固定环21上旋转。三根上述捕获钢丝绳11交织在捕获环10内，任一述捕获钢丝绳11的一端固定在捕获转动环22内壁，另一端固定在捕获固定环21内壁，三根捕获钢丝绳11在捕获环10的中心围成三角形的捕获区29，而在捕获转动环22转动时，捕获区29的大小会随之变化，使得三根捕获钢丝绳11共同束缚住不同外形大小的目标物。由此，抓捕目标物处于捕获区29内，当需要抓捕目标物时，通过旋转捕获转动环22，可不断收紧捕获钢丝绳11围成的捕获区29，直至捕获钢丝绳11围绕并锁紧目标物停止，实现抓捕。另外，捕获环10的内壁设置有凹陷的凹槽26，在无需抓捕时，捕获钢丝绳11需要展开，即上述捕获钢丝绳11可在捕获转动环22转动调整后贴合在捕获环10内壁，此时，其嵌入到凹槽26内，完全没入捕获环10。上述捕获电机4通过捕获连接件9与捕获转动环22连接，该捕获连接件9上端与捕获转动环22的外壁固定，捕获连接件9跨越捕获固定环21，其下端设有沿圆弧方向延伸的第一齿面25，相对应地，捕获电机4的输出端设有捕获齿轮18，捕获齿轮18与第一齿面25啮合，使得捕获电机4可带动捕获转动环22转动。该捕获固定环21通过支架8与拖动机构连接，其中，支架8的上端与固定环21固定，其下端与丝杠3螺纹连接，使得丝杠3转动时，支架8可拉动捕获固定环21上移或下移。为了同步移动，上述捕获电机4通过捕获电机支架17也固定在支架8上。另外，为了平稳拖动捕获机构，捕获机构与本体之间设有滑动组件，其包括导轨滑块7和直线导轨6，该支架8在与丝杠3连接的一端还设有导轨滑块7，相对应地，本体1的内壁设有延其长度方向设置的直线导轨6，导轨滑块7滑动安装在直线导轨6上，起到导向作用。

就纠偏机构而言，如图1和图3所示，纠偏机构包括纠偏电机5、纠偏环13和纠偏钢丝绳14，其中，纠偏环13又包括纠偏转动环23和纠偏固定环24，纠偏固定环24设置在纠偏转动环23的下侧，该纠偏转动环23的外壁设有环形滑道16，其利用环形滑道16与本体1转动连接，使得纠偏转动环23独自在可在本体1内旋转；纠偏固定环24的外壁与本体1固定，以限位该纠偏固定环24。如同捕获钢丝绳11，三根上述纠偏钢丝绳14交织在纠偏环13内，任一述纠偏钢丝绳14的一端固定在纠偏转动环23内壁，另一端固定在纠偏固定环24内壁，三根纠偏钢丝绳14在纠偏环13的中心围成三角形的纠偏区30，而在纠偏转动环23转动时，纠偏区30的大小会随之变化，使得三根纠偏钢丝绳14束缚住不同外形大小的目标物。由此，当需要调节目标物姿态时，通过旋转纠偏转动环23，可不断收紧纠偏钢丝绳14围成的纠偏区30，其一根或两根纠偏钢丝绳14接触目标物，拖动倾斜目标物回正，直至目标物的偏航角度处于预设范围内，实现纠偏。另外，纠偏环13的内壁也设置有凹陷的容纳槽28，如同凹槽26，可收纳纠偏钢丝绳14，使其嵌入容纳槽28内，完全隐藏在纠偏环13。上述纠偏电机5通过纠偏电机支架15固定在本体1的内壁，同时通过纠偏连接件12与纠偏转动环23连接，该纠偏连接件12上端与纠偏转动环23的外壁固定，纠偏连接件12跨越纠偏固定环24，其下端设有沿圆弧方向延伸的第二齿面27，相对应地，纠偏电机5的输出端设有纠偏齿轮19，纠偏齿轮19与第二齿面27啮合，使得纠偏电机5可带动纠偏转动环23转动。

由此，上述捕获电机4、纠偏电机5和拖动电机2分别带动捕获机构、纠偏机构和拖动机构动作，捕获、纠偏及拖动过程可单独完成，容错大，可根据目标物的情况实时调节。上述捕获机构和纠偏机构，分别通过捕获钢丝绳11和纠偏钢丝绳14束缚目标物，实现软接触目标物，降低了接触碰撞力，提高了捕获成功率，同时，纠偏机构将偏差较大的姿态调整纠正到安全捕获范围，大幅度提高了末端执行器的容差范围。

如图1和图4所示，该末端执行器捕获过程主要分为三个步骤，根据工作的先后顺序分别是：步骤1、抓捕目标物；步骤2、纠偏目标物；步骤3、拖动目标物。首先，在抓捕前，捕获钢丝绳11和纠偏钢丝绳14分别处于凹槽26和容纳槽28，不会干涉目标物进入本体1内部。在抓捕阶段，当目标物体进入末端执行器的本体1内部后，操作人员会启动捕获电机4，其使得捕获齿轮18旋转，而带动捕获转动环22一起转动，捕获转动环22的旋转又使得捕获钢丝绳11收缩，直至捕获钢丝绳11收缩到完全包裹目标物体，完成对目标物的一端的抓捕过程。其后，进行纠偏，操作人员启动纠偏电机5，带动纠偏齿轮19旋转，而使得纠偏转动环23一起旋转，纠偏钢丝绳14收缩限位目标物体，完成对目标物的纠偏过程，将目标物体原来较大的俯仰、偏航角度纠偏调整到合理范围内。最后，进行拖动，通过拖动电机2的转动带动丝杠3旋转，丝杠3的旋转将捕获机构拖动到末端执行器底部，完成拖动过程，实现对目标物的捕获。

结合上述实施例，本发明实施例的纠偏机构可实现对目标物的姿态纠偏调整，在大容差条件下实现末端执行器对目标物的软接触捕获，降低了对空间站被捕获物的姿态参数要求，提高了空间站目标物的捕获成功率。

在本申请的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种末端执行器，包括本体，以及设置在本体内的捕获机构和拖动机构，所述拖动机构与本体固定，且所述拖动机构的输出端与所述捕获机构连接，其特征在于，还包括纠偏机构，所述纠偏机构固定在所述本体内，用以束缚目标物而将目标物的偏航角度调整到预设范围内。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述拖动机构与所述纠偏机构间隔设置，所述捕获机构设置在所述拖动机构和所述纠偏机构之间。

3.根据权利要求2所述的末端执行器，其特征在于，所述纠偏机构包括纠偏电机、纠偏环和纠偏钢丝绳，所述纠偏电机和纠偏环固定在所述本体的内壁，多个纠偏钢丝绳交织在所述纠偏环内，用以束缚目标物。

4.根据权利要求3所述的末端执行器，其特征在于，所述纠偏环包括上下叠放的纠偏转动环和纠偏固定环，所述纠偏固定环与所述本体固定，所述纠偏转动环与所述本体旋转连接；所述纠偏钢丝绳的一端与所述纠偏固定环连接，另一端与所述纠偏转动环连接；所述纠偏电机的输出端与所述纠偏转动环连接，用以带动所述纠偏转动环转动而使所述纠偏钢丝绳收缩束缚或收起释放目标物。

5.根据权利要求3所述的末端执行器，其特征在于，所述纠偏环的内壁设置有容纳槽，用以容纳收起的所述纠偏钢丝绳。

6.根据权利要求2所述的末端执行器，其特征在于，所述拖动机构与所述纠偏机构分别设置在所述本体的两端，所述纠偏机构和所述捕获机构平行设置。

7.根据权利要求4所述的末端执行器，其特征在于，所述本体的内壁设有环形滑道，所述纠偏转动环通过设置在其外周的所述环形滑道与所述本体连接。

8.根据权利要求4所述的末端执行器，其特征在于，所述纠偏电机设置在所述纠偏机构面向所述捕获机构的一侧，所述纠偏转动环通过纠偏连接件与所述纠偏电机连接。

9.根据权利要求1-8任一所述的末端执行器，其特征在于，所述拖动机构包括丝杆组件和滑动组件，所述丝杆组件与所述捕获机构连接，所述滑动组件设置在所述捕获机构与所述本体之间。

10.根据权利要求1-8任一所述的末端执行器，其特征在于，所述捕获机构包括捕获电机、捕获环和捕获钢丝绳，所述捕获电机和捕获环都与所述拖动机构连接，多个所述捕获钢丝绳交织在所述捕获环内，用以束缚目标物。

11.一种目标物的捕获方法，其特征在于，包括：

捕获目标物，所述捕获机构转动束缚目标物；

纠偏目标物，所述纠偏机构转动束缚目标物，调节偏航角度；

拖动目标物，所述拖动机构拖动目标物至末端执行器底部。