CN112109928B - 一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构及抓捕方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构及抓捕方法，该捕获对接机构包括固定平台、平面缩放机构、三个连杆支链和三个末端抓捕手模块；三个连杆支链一端与固定平台通过虎克铰链铰接，能够相对于固定平台相互垂直的两个方向旋转，另一端与平面缩放机构一侧通过等效球关节连接，能够相对于平面缩放机构的三个方向旋转，平面缩放机构的另一侧连接末端抓捕手模块；实施抓捕前，平面缩放结构在一个平面内变形，改变末端抓捕手模块的相对位置关系，通过末端抓捕手模块对目标进行柔性捕获；完成捕获后，平面缩放机构再次变形，实现刚度锁紧，完成对目标的抓捕和对接。本发明解决了抓捕过程中角度、位置和抓捕目标大小适应性不强的问题。

Description

一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构及抓捕方法

技术领域

本发明涉及一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构及抓捕方法，属于空间执行机构技术领域。

背景技术

针对空间合作目标或者特定目标的抓捕，国内外进行了大量的研究，在轨捕获机构设计方案主要有三种形式：利用带末端手爪工具的机械臂或触手抓起空间飞行器特定位置(如星箭对接环或预设的把手等)；利用伸缩杆捕获目标卫星的发动机喷管；利用绳网捕获系统或飞爪捕获装置捕获目标航天器，以及利用微小卫星绳网编队捕获空间目标绳网。随着空间在轨抓捕的方式和抓捕目标也不断升级，如果单纯采用类似机械臂式的刚性抓捕进行抓捕无法适应抓捕需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，克服现有技术的不足，提出一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构及抓捕方法，解决抓捕过程中角度、位置和抓捕目标大小适应性不强的问题。

本发明解决技术的方案是：一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，该对接机构包括固定平台、平面缩放机构、三个连杆支链和三个末端抓捕手模块；三个连杆支链一端与固定平台通过虎克铰链铰接，能够相对于固定平台沿相互垂直的两个方向旋转，另一端与平面缩放机构一侧通过等效球关节连接，能够相对于平面缩放机构的三个方向旋转，平面缩放机构的另一侧连接末端抓捕手模块；实施抓捕前，平面缩放结构在一个平面内变形，改变末端抓捕手模块的相对位置关系，通过末端抓捕手模块对目标进行柔性捕获；完成捕获后，平面缩放机构再次变形，实现刚度锁紧，完成对目标的抓捕和对接。

所述等效球关节由一个虎克铰与旋转副代替。

所述平面缩放机构包括三个驱动关节、六根连杆和六个旋转铰链；每两根连杆之间采用驱动关节连接，两根连杆能够形成任意夹角，形成双节棍，双节棍两两之间通过旋转铰相连。

所述驱动关节采用电机驱动，减速器减速后进行两端输出，两输出端通过U型结构与一根连杆端部连接，驱动关节外部的法兰与另一根连杆端部固定连接，从而实现两根连杆形成任意夹角。

所述固定平台、末端抓捕手模块采用金属材质制成。

所述支链和连杆采用碳纤维材料制成，可以有效降低重量。

所述末端抓捕手模块包括电机、丝杠、拉杆、手爪；电机带动丝杠进行运动，丝杠的运动可以使得丝杠螺母沿轴向前后运动，丝杠螺母运动带动与之铰接的拉杆运动，拉杆牵引手爪的左右手指进行开合运动，实现抓捕过程中的抓取和释放操作。

所述虎克铰由第一虎克铰轴承座、第二虎克铰轴承座、十字轴、第一轴承、第二轴承对、第二轴承对组成，其中十字轴两个轴垂直相交，分为长轴和短轴两个轴，长轴两端通过第一轴承对与第一虎克铰轴承座相连，第一虎克铰轴承座能够绕十字轴的长轴旋转，十字轴的短轴通过第二轴承对与第二虎克铰轴承座相连，第二虎克铰轴承座可以绕十字轴的短轴旋转。

所述长轴和短轴的两端分别安装一个角度传感器，用于测量虎克铰角度信息。

一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构的抓捕方法，其特征在于包括如下步骤：

s1、通过平面缩放机构的变形实现抓捕手的相对位置关系，通过末端抓捕手模块对目标进行柔性捕获；

s2、完成柔性捕获后，平面缩放机构变形实现刚度锁紧，完成对不同类型的目标的抓捕和对接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过并联机构与平面缩放机构的巧妙结合，将并联机构的动平台用一个平面缩放机构进行替换，可以实现对不同尺寸大小的空间目标进行捕获，并能够调整抓捕手的相对位置和相对角度；

(2)、本发明具有主动的柔顺控制能力以避免捕获瞬时冲击对机构和卫星本体造成过大的姿态扰动，从而保证机构、操作目标和交互环境之间友好、安全的交互过程。

(3)、本发明该抓捕机构为一种自适应非合作目标的通用化在轨抓捕装置特别是针对空间非合作目标的在轨抓捕、软对接及操作需求，可作为在轨服务和在轨操作工具之一，具有较好的空间应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例尺寸自适应空间捕获对接机构示意图；

图2为本发明实施例尺寸自适应空间捕获对接机构原理图；

图3为本发明实施例驱动关节结构；

图4为本发明实施例末端抓捕手模块结构；

图5为本发明实施例虎克铰结构；

图6为本发明实施例尺寸自适应空间捕获对接机构捕获状态示意图；

图7为本发明实施例尺寸自适应空间捕获对接机构对接状态示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明针对抓捕过程中对抓捕目标的位置和角度适应性不强的问题，以及未来对不同尺寸目标的空间捕获对接需求，提出并实现了一种尺寸自适应空间捕获对接机构，可针对一定范围内不同尺寸的对接环、抓捕特征进行适应性的柔性捕获和锁定。

如图1和图2所示，本发明所提供的一种尺寸自适应空间柔性捕获对接机构包括固定平台、平面缩放机构、三个连杆支链和三个末端抓捕手模块。三个连杆支链长度相等。三个连杆支链一端与固定平台通过虎克铰连接，虎克铰能够相对于固定平台沿相互垂直的两个方向旋转，连杆支链与固定平台虎克铰之间通过固定块固定连接，另一端与平面缩放机构一侧通过等效球关节连接，能够相对于平面缩放机构的三个方向旋转，即：平面缩放机构通过三个连杆悬挂在固定平台上；平面缩放机构的另一侧连接末端抓捕手模块；实施抓捕前，平面缩放结构在一个平面内变形，可以实现一个平面内的缩放变形功能，该功能可以带动位于其顶点上的末端抓捕手模块进行位置移动，即调整改变末端抓捕手模块的相对位置关系，以适应不同的目标尺寸和形状，对目标进行柔性捕获；完成捕获后，平面缩放机构再次变形，实现刚度锁紧，完成对目标的抓捕和对接。

优选地，等效球关节可以由一个虎克铰与旋转副组成，这样在每个连杆支链上，均有两个虎克铰以及一个旋转副，整个并联机构便构成了3-URU并联机构。

等效球关节还可以是球铰，连杆支链与平面缩放机构之间可简化为通过球铰连接，简化之后的机构图。

上述对接机构采用了一个并联结构作为抓捕机构的位置和角度调节机构；为了解决抓捕过程中对不同尺寸大小的目标的适应性，本发明将并联机构的动平台用一个平面缩放机构进行替换。通过并联机构与平面缩放机构的巧妙结合和关节复用，有效的解决了抓捕过程中角度、位置和抓捕目标大小适应性不强的弱点。

所述平面缩放机构包括三个驱动关节、六根连杆和六个旋转铰链；每两个连杆之间采用驱动关节连接，两个连杆能够相对于驱动关节形成任意夹角，形成双节棍，双节棍两两之间通过旋转铰相连。

如图3所示，所述驱动关节采用电机驱动，减速器减速后进行两端输出，输出端通过驱动法兰使得两个连杆形成需要的夹角。两输出端通过U型结构与一根连杆端部连接，驱动关节外部的法兰与另一根连杆端部固定连接，从而实现两根连杆形成任意夹角三个驱动关节的轴线方向相互平行，六根连杆长度相等，当双节棍呈直线时，平面缩放机构形成等边三角形。

所述固定平台、末端抓捕手模块采用金属材质制成。

所述支链和连杆采用碳纤维材料制成，可以有效降低重量。

如图4所示，所述末端抓捕手模块包括电机、丝杠、拉杆、手爪。采用电机驱动，电机带动丝杠进行运动，丝杠的运动可以使得丝杠螺母沿轴向前后运动，丝杠螺母运动带动与之铰接的拉杆运动，拉杆牵引手爪的左右手指进行开合运动，实现抓捕过程中的抓取和释放操作。

如图5所示，所述虎克铰由第一虎克铰轴承座、第二虎克铰轴承座、十字轴、第一轴承、第二轴承对、第二轴承对组成，其中十字轴两个轴垂直相交，分为长轴和短轴两个轴，长轴两端通过第一轴承对与第一虎克铰轴承座相连，第一虎克铰轴承座能够绕十字轴的长轴旋转，十字轴的短轴通过第二轴承对与第二虎克铰轴承座相连，第二虎克铰轴承座可以绕十字轴的短轴旋。

优选地，所述长轴和短轴的两端分别安装一个角度传感器，用于测量虎克铰角度信息。

如图6和图7所示，基于上述尺寸自适应空间捕获对接机构，本发明还提供了一种尺寸自适应空间柔性抓捕方法，该方法包括如下步骤：

(1)、通过平面缩放机构的变形实现抓捕手的相对位置关系，通过末端抓捕手模块对目标进行柔性捕获；

(2)、完成柔性捕获后，平面缩放机构变形实现刚度锁紧，完成对不同类型的目标的抓捕和对接。

本发明提供的尺寸自适应空间捕获对接机构功能完善、结构紧凑，能够实现多种尺寸非合作目标的捕获对接操作，同时在操作过程中整个机构通过机构自身可以实现不同柔性调节。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，其特征在于包括固定平台、平面缩放机构、三个连杆支链和三个末端抓捕手模块；三个连杆支链一端与固定平台通过虎克铰链铰接，能够相对于固定平台沿相互垂直的两个方向旋转，另一端与平面缩放机构一侧通过等效球关节连接，能够相对于平面缩放机构的三个方向旋转，平面缩放机构的另一侧连接末端抓捕手模块；实施抓捕前，平面缩放机构在一个平面内变形，改变末端抓捕手模块的相对位置关系，通过末端抓捕手模块对目标进行柔性捕获；完成捕获后，平面缩放机构再次变形，实现刚度锁紧，完成对目标的抓捕和对接；

所述平面缩放机构包括三个驱动关节、六根连杆和六个旋转铰链；每两根连杆之间采用驱动关节连接，两根连杆能够形成任意夹角，形成双节棍，双节棍两两之间通过旋转铰链相连。

2.根据权利要求1所述的一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，其特征在于所述等效球关节由一个虎克铰与旋转副代替。

3.根据权利要求1所述的一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，其特征在于所述驱动关节采用电机驱动，减速器减速后进行两端输出，两输出端通过U型结构与一根连杆端部连接，驱动关节外部的法兰与另一根连杆端部固定连接，从而实现两根连杆形成任意夹角。

4.根据权利要求1所述的一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，其特征在于固定平台、末端抓捕手模块采用金属材质制成。

5.根据权利要求1所述的一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，其特征在于所述支链和连杆采用碳纤维材料制成。

6.根据权利要求2所述的一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，其特征在于所述末端抓捕手模块包括电机、丝杠、拉杆、手爪；电机带动丝杠进行运动，丝杠的运动使得丝杠螺母沿轴向前后运动，丝杠螺母运动带动与之铰接的拉杆运动，拉杆牵引手爪的左右手指进行开合运动，实现抓捕过程中的抓取和释放操作。

7.根据权利要求1所述的一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，其特征在于所述虎克铰链由第一虎克铰轴承座、第二虎克铰轴承座、十字轴、第一轴承、第二轴承对组成，其中十字轴两个轴垂直相交，分为长轴和短轴两个轴，长轴两端通过第一轴承对与第一虎克铰轴承座相连，第一虎克铰轴承座能够绕十字轴的长轴旋转，十字轴的短轴通过第二轴承对与第二虎克铰轴承座相连，第二虎克铰轴承座能够绕十字轴的短轴旋转。

8.根据权利要求7所述的一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构，其特征在于所述长轴和短轴的两端分别安装一个角度传感器，用于测量虎克铰链角度信息。

9.权利要求1～8任一项所述一种多尺寸自适应空间柔性捕获对接机构的抓捕方法，其特征在于包括如下步骤：

s1、通过平面缩放机构的变形实现抓捕手的相对位置关系，通过末端抓捕手模块对目标进行柔性捕获；

s2、完成柔性捕获后，平面缩放机构变形实现刚度锁紧，完成对不同类型的目标的抓捕和对接。

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