CN112078836A - 一种大型充气式柔性消旋装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大型充气式柔性消旋装置及方法，属于航天领域；装置包括夹持端和消旋机构。夹持端内部设有与服务航天器伺服供气系统相连接的电气对接接口；消旋机构包括两个由多段气动软体机械手串联组成的消旋臂。消旋臂内壁附着有均布的细长柔性刷毛，刷毛底部均设有灵敏压力传感器片。在对非合作目标进行消旋时，首先，通过对多段软体机械手的协同控制，实现对失控目标的消旋包络。随后，根据消旋任务耗时的要求，以原有的包络形式，不同程度地缩小包络范围，可改变柔性刷毛对目标所施加反作用力矩的大小，从而实现消旋时间的可调可控。消旋臂采用软体材料，轻质体积小，展缩比大，尺寸适用范围广，消旋过程安全可靠，且消旋时间可控。

Description

一种大型充气式柔性消旋装置及方法

技术领域

本发明属于航天领域，具体涉及一种大型充气式柔性消旋装置及方法。

背景技术

航天事业具有高风险、高投入的特性。受空间环境干扰与设备、器件寿命等因素影响，在轨卫星故障时有发生。据统计，每发射80至130颗卫星，约有2-3颗卫星未能正确入轨，而正确入轨的中又有5-10颗在寿命初期(入轨后30天)即失效，这造成了巨大的经济损失。多年以来，每一次卫星发生故障，都是一场充满挑战的“天地大营救”。

故障或失效卫星停留在空间成为了太空垃圾，不但占用了宝贵的轨道资源，还可能危害到其他正常航天器的安全。一直以来，利用服务航天器开展的空间在轨服务技术都受到极大关注。

由于被放弃的卫星已失去姿态调整能力成为了非合作目标，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，多处于自由翻滚运动。

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))。

尤其是对于处于翻滚状态的非合作目标而言，若欲对其开展后续的在轨服务(在轨维护、在轨加注等)，则应当先消旋再抓捕，否则后续操作无法精确进行。消旋和抓捕一般分别通过控制服务航天器上两条不同的机械臂进行。

对翻滚非合作目标消旋是指利用外部控制力矩来衰减目标角速度ω→0。就现有的采用毛刷的消旋方案而言，在文献路勇等于2018年发表在航空学报《空间翻滚非合作目标消旋技术发展综述》一文中可见，早在2011年JAXA的学者Nishida和Kawamoto就提出了一种利用毛刷的接触式目标自旋衰减方案，但该方案存在以下问题：

(1)与毛刷接触的支撑结构是刚性的，对控制精度的要求很高，成本高。在进行消旋时需要精确控制机械臂与接触表面的相对距离，以免发生碰撞。

(2)仅仅考虑自旋，没有考虑翻滚运动形式。

(3)可靠性低。单边施加消旋力，在刷毛的作用下容易把卫星弹开。

(4)毛刷的尺寸固定，适用对象尺寸范围窄，不切合工程实际需求。对于大型目标进行消旋时，采用小的毛刷难以达到有效的消旋。不能自适应地决定参与动作毛刷的数量。

发明专利公开号CN110341990A一文中，改进了毛刷的布置提出一种刚性的伸缩机构、抓捕机构、驱动机构组成的空间碎片消旋抓捕方案，该方案存在以下问题：

(1)与毛刷接触的支撑结构同样是刚性的，对控制精度的要求很高。

(2)将失控目标形状理想化为球形，且没有考虑翻滚运动形式。

(3)可靠性低。虽然其采用了对称式的毛刷布置但是当失控目标没有位于正中心时，其两边受力大小不同，目标会朝向受力小的一侧移动，并与该边支撑框架发生严重的刚性碰撞。

(4)毛刷的尺寸同样是固定的，适用对象尺寸范围窄，不切合工程实际需求。

(5)消旋毛刷的最大相对距离受杆件212的长度限制，杆件212受整流罩的尺寸约束以及火箭运载能力的约束，无法对大型失控目标进行消旋。

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的在轨任务，利用机械臂消旋的安全性尚未得到验证，且受航天器控制弧长和任务周期的限制，消旋时间不能过长。现有的毛刷抓捕方案均有一定的弊端，急需提出一种对失效卫星尺寸、形状、运动状态没有特殊要求，工程实用性强，且消旋过程安全可靠，消旋时间可调可控的毛刷消旋方案。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种大型充气式柔性消旋装置，包括夹持端和消旋机构。所述夹持端装配在服务航天器机械臂的末端臂上，其内部设有与服务航天器伺服供气系统相连接的电气对接接口；所述的消旋机构包括两个由多段气动软体机械手串联组成的消旋臂。消旋臂内壁附着有均布的细长柔性刷毛，刷毛底部均设有灵敏压力传感器片。该装置安装在服务航天器机械臂末端臂上充当执行机构，在对非合作目标进行消旋时，首先，通过对多段软体机械手的协同控制，实现对失控目标的消旋包络。随后，根据不同消旋任务耗时的要求，以原有的包络形式，不同程度地缩小包络范围，可改变柔性刷毛对目标所施加反作用力矩的大小，从而实现消旋时间的可调可控。本装置可用空间非合作目标的消旋操作，尤其适用于失控卫星的抢救修复等紧急空间操作任务。

本发明的技术方案是：一种大型充气式柔性消旋装置，其特征在于：包括夹持端和消旋机构，所述夹持端装配于服务航天器机械臂的末端，其内部设有与服务航天器伺服供气系统相连接的电气对接接口，用于实现装置的控制和驱动；

所述消旋机构包括消旋臂、压力传感器片和细长柔性刷毛；两组消旋臂并列设置，其一端均固定于所述夹持端上，每组消旋臂由多段气动软体机械手串联组成；若干所述细长柔性刷毛均布于两组消旋臂的相对壁面上，所述压力传感器片设置于细长柔性刷毛根部，用于感应失控目标的状态。

本发明的进一步技术方案是：所述消旋臂外表面附有隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar材料。

本发明的进一步技术方案是：所述气动软体机械手为柔性管结构，其内部含有汲满空气的多个通道，由伺服供气系统提供所需压力控制失控目标；由于每个通道能够独立加压，所述气动软体机械手能够定向包络失控目标并挤压。

本发明的进一步技术方案是：所述的细长柔性刷毛呈针状，具有可压缩性。

一种采用大型充气式柔性消旋装置进行消旋的方法：其特征在于具体步骤如下：

步骤一：失控目标位于两组消旋臂之间时，通过所述压力传感器片感应压力信号，并将信号转换后反馈于服务航天器伺服供气系统，通过对每组消旋臂的多段软体机械手进行协同控制，实现对不同形状、不同尺寸、不同滚动形式的失控目标自适应形态的包络；

步骤二：根据消旋任务耗时的要求，在步骤一包络形式的基础上，不同程度地缩小包络范围，通过控制各段位的软体机械手，改变细长柔性刷毛对失控目标所施加反作用力矩的大小，从而实现消旋时间的控制和调整；

步骤三：失控目标停止运动后，两组消旋臂反向分离，服务航天器机械臂撤回，消旋任务完成。

有益效果

本发明的有益效果在于：由于太空中没有重力，避免了重力作用下消旋臂向地面弯曲现象，本发明方案在空间环境下切实可行。所述消旋臂外表面附有隔热、防辐射的高强度材料纳米级kevlar材料，该材料常用于出舱用宇航服的制造，可隔离太空环境干扰和常规空间碎片对其性能的损害。细长柔性刷毛呈针状，具有可压缩性，从而确保柔性刷毛在可以起到消旋效果的同时，不会卡于待消旋目标结构的缝隙中。其中包络区内是不安全区，包络外是安全区；伺服供气系统通过协同控制策略可保证仅仅消旋毛刷可进入不安全区，而消旋臂主体不会进入不安全区。

(1)消旋臂采用软体材料制作，相对于刚体而言，轻质可弯折，降低了对火箭整流罩尺寸和火箭运载能力的要求，同时避免了刚性碰撞，从硬件水平直接提升了整个消旋任务的安全性和可操作性，控制精度要求低。

(2)所述消旋臂采用软体材料制作，相对于刚体而言，轻质可弯折；通过对串联式的多段软体机械手的协同控制，可实现对不同形状、不同尺寸、不同滚动形式的失控目标形态的自适应的包络，故而适用范围广，对目标的形状、尺寸、运动状态没有特殊要求。

1)在对不同形状目标的消旋中，通过多个机械手的协同控制，多个机械手协同动作，分别向合适的方向弯曲一定角度，可以实现自适应的拟态包络。

2)在对不同尺寸目标的消旋中，针对小尺寸目标的消旋，可以仅仅动作前段部分软体机器手；随着待消旋目标尺寸的增大，可以从装置前段开始逐渐增加参与动作的软体机械手数量。在节能的同时，有效降低了任务的复杂度。

3)在对不同运动状态目标的消旋中，就两个消旋臂而言，对于自旋和平旋的空间目标，可以实施椭圆形包络；而对于翻滚目标可以实施圆形包络；对于大于两个消旋臂的布置情况，则分别对应于椭球形和球形包络。

附图说明

图1是空间非合作目标三种典型的运动状态示意图；

图2是本发明两组消旋臂合拢状态示意图；

图3是本发明对空间翻滚失效卫星进行消旋的轴侧图；

图4是本发明两个不同时机的针对同一个空间翻滚失效卫星进行消旋的正视图和侧视图；

图5是本发明消旋步骤示意图。

附图标记说明：1.夹持端；2.消旋臂；3.细长柔性刷毛；4.失控翻滚卫星。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明一种大型气动式柔性消旋装置，包括夹持端1和消旋机构。夹持端1装配在服务航天器机械臂的末端臂上，其内部设有与服务航天器伺服供气系统相连接的电气对接接口；所述消旋机构包括两个由多段气动软体机械手串联组成的消旋臂2、压力传感器片和细长柔性刷毛3；两组消旋臂2并列设置，其一端均固定于所述夹持端1上。消旋臂2内壁附着有均布的细长柔性刷毛3，刷毛底部均设有灵敏压力传感器片，用于感应失控目标的状态。

所述消旋臂2外表面附有隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar材料。细长柔性刷毛3呈针状，具有可压缩性

所述气动软体机械手为柔性管结构，其内部含有汲满空气的多个通道，由伺服供气系统提供所需压力控制失控目标；由于每个通道能够独立加压，所述气动软体机械手能够定向包络失控目标并挤压。

该装置安装在服务航天器机械臂末端臂上充当执行机构，在对非合作目标进行消旋时，首先，通过对多段软体机械手的协同控制，实现对失控目标的消旋包络。随后，根据不同消旋任务耗时的要求，以原有的包络形式，不同程度地缩小包络范围，可改变柔性刷毛对目标所施加反作用力矩的大小，从而实现消旋时间的可调可控。

下面本发明的具体工作过程如下：(以空间翻滚失控卫星4为例，如图示)

服务航天器发现失控翻滚卫星4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。

首先估计失效卫星的尺寸并判断目标的运动姿态，并由此确定包络的形状和需参与动作的串联软体机械手的数量为4条，也即所有串联的软体机械手都参与了动作。

随后，完全张开到最大开度，并在机械臂的驱动下接近目标到一定小的距离但不接触，之后开始协同控制参与动作的软体机械手合拢。

本例中失控卫星的运动姿态为带有章动角的空间翻滚，故实施圆形包络。

随后通过对参与动作的多段软体机械手的协同控制，使得圆形包络范围对称式地缓慢缩小，从而使得柔性刷毛接触到翻滚目标，开始对目标施加反力矩。通过控制圆形包络缩小的进度，可以调节柔性刷毛施加给翻滚目标的反力矩大小，由此实现可控时间消旋。

直至翻滚目标停止翻滚，控制系统发出协同控制指令使得两个消旋臂同时对称式地缓慢相向做分离运动，随后，机械臂撤回复位。至此消旋任务完成。

消旋任务完成后，使用另一机械臂上的抓捕装置对目标进行捕获。

捕获后，则可以根据任务需求对该目标实施诸如失控卫星的在轨抢救修复、燃料加注、辅助入轨、离轨等一系列空间操作。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种大型充气式柔性消旋装置，其特征在于：包括夹持端和消旋机构，所述夹持端装配于服务航天器机械臂的末端，其内部设有与服务航天器伺服供气系统相连接的电气对接接口，用于实现装置的控制和驱动；

所述消旋机构包括消旋臂、压力传感器片和细长柔性刷毛；两组消旋臂并列设置，其一端均固定于所述夹持端上，每组消旋臂由多段气动软体机械手串联组成；若干所述细长柔性刷毛均布于两组消旋臂的相对壁面上，所述压力传感器片设置于细长柔性刷毛根部，用于感应失控目标的状态。

2.根据权利要求1所述大型充气式柔性消旋装置，其特征在于：所述消旋臂外表面附有隔热、防辐射的高强度纳米级kevlar材料。

3.根据权利要求1所述大型充气式柔性消旋装置，其特征在于：所述气动软体机械手为柔性管结构，其内部含有汲满空气的多个通道，由伺服供气系统提供所需压力控制失控目标；由于每个通道能够独立加压，所述气动软体机械手能够定向包络失控目标并挤压。

4.根据权利要求1所述大型充气式柔性消旋装置，其特征在于：所述的细长柔性刷毛呈针状，具有可压缩性。

5.一种采用权利要求1所述大型充气式柔性消旋装置进行消旋的方法：其特征在于具体步骤如下：

步骤一：失控目标位于两组消旋臂之间时，通过所述压力传感器片感应压力信号，并将信号转换后反馈于服务航天器伺服供气系统，通过对每组消旋臂的多段软体机械手进行协同控制，实现对不同形状、不同尺寸、不同滚动形式的失控目标自适应形态的包络；

步骤二：根据消旋任务耗时的要求，在步骤一包络形式的基础上，不同程度地缩小包络范围，通过控制各段位的软体机械手，改变细长柔性刷毛对失控目标所施加反作用力矩的大小，从而实现消旋时间的控制和调整；

步骤三：失控目标停止运动后，两组消旋臂反向分离，服务航天器机械臂撤回，消旋任务完成。

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