CN112937929B - 一种多连杆环抱式空间捕获机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多连杆环抱式空间捕获机构，包括：机构外接法兰盘、定平台、4‑URU并联机构、八杆可折展动平台。机构外接法兰盘包括上端四孔大圆盘，第一主动轴，下端四孔小圆盘，上端四孔大圆盘用于对接空间飞行器，下端四孔小圆盘用于连接定平台；4‑URU并联机构包括第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链和第四运动支链，对称安装在捕获机构的外侧，四条运动支链构型均为URU构型。四条运动支链上端与定平台固定连接，下端与八杆可折展动平台相连。该捕获机构可在八个关节触点的作用下将目标整星捕获。该捕获机构仅由一个电机、八个舵机驱动即可实现折叠收纳、展开捕获、环抱收紧的功能，提升了捕获自由度，降低了对接精度要求，提高了刚度。

Description

一种多连杆环抱式空间捕获机构

技术领域

本发明属于空间捕获机构领域，涉及多连杆空间捕获机构，特别涉及一种多连杆环抱式空间捕获机构。

背景技术

空间在轨捕获技术是一项前沿的空间技术研究热点。随着科技的发展，人类向太空发射了大量的航天器，太空中的恶劣环境会对航天器的安全和寿命产生严重影响，造成太空中存在大量失效航天器，占用空间资源，而空间捕获机构通过对失效航天器实施抓捕可以对其进行在轨维修再利用，或拖拽至坟墓轨道，释放空间资源。中国专利CN108516112A提出了一种自适应欠驱动式非合作目标空间捕获机构，采用单一动力源实现三个机械臂展开，具有多自由度，能灵活适应不同尺寸、形状的目标卫星喷管。中国专利CN104443444A提出了一种对接与转移一体式空间捕获机构，实现了空间轨道上两飞行器的对接及对目标飞行器上样品容器的长距离转移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多连杆环抱式空间捕获机构，将目标整星捕获，提升捕获自由度，降低对接精度要求，提升抓捕力，提高刚度，结构更为紧凑。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：一种多连杆环抱式空间捕获机构包括：机构外接法兰盘、定平台、4-URU并联机构、八杆可折展动平台。机构外接法兰盘包括上端四孔大圆盘，第一主动轴，下端四孔小圆盘，上端四孔大圆盘安装有四个螺栓，用于对接空间飞行器，下端四孔小圆盘安装有四个螺栓，用于连接定平台，第一主动轴安装在上端四孔大圆盘和下端四孔小圆盘之间；4-URU并联机构包括第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链和第四运动支链，对称布置在定平台的四周，四条运动支链构型均为URU构型，四条运动支链上端通过螺栓固定连接在定平台上，下端通过螺栓与八杆可折展动平台相连；4-URU并联机构具有五个自由度，采用五个驱动完全约束运动，其中四个驱动采用舵机驱动，均布置在位于定平台上与运动支链相连的转动关节上，分别用于控制四条运动支链的运动，第五个驱动采用直流减速电机驱动，布置在任意一条运动支链中垂直于舵机轴线且平行于定平台的转动关节上，用于控制八杆可折展动平台开口的朝向；八杆可折展动平台在对称的四个转动关节上加入四个舵机驱动，用于控制八杆可折展动平台的收缩与展开。

定平台包括第一定平台圆盘、第二定平台圆盘、第三定平台圆盘、短轴套、长轴套、连接杆；第一定平台圆盘通过螺母安装在机构外接法兰盘上，四个连接杆通过螺栓与第一定平台圆盘连接，第一定平台圆盘与第二定平台圆盘之间安装有八个短轴套；第二定平台圆盘与第三定平台圆盘之间安装有八个长轴套，第二动平台圆盘与第三动平台圆盘之间对称地布置四个驱动模块，分别通过螺栓与四个连接杆相连，四个驱动模块分别用来驱动第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链和第四运动支链，四个驱动模块包括一个有电机驱动模块和三个无电机驱动模块。

4-URU并联机构包括第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链和第四运动支链，对称设置；第一运动支链包括有电机驱动模块、双轴舵机模块、第一连杆、R副模块、第二连杆、U副模块，双轴舵机模块左端与有电机驱动模块相连接，右端与第一连杆相连接，第一连杆与第二连杆通过R副模块相连接，第二连杆末端与U副模块相连接；第二运动支链包括无电机驱动模块、双轴舵机模块、第一连杆、R副模块、第二连杆、U副模块，双轴舵机模块左端与无电机驱动模块相连接，右端与第一连杆相连接，第一连杆与第二连杆通过R副模块相连接，第二连杆末端与U副模块相连接；第三运动支链、第四运动支链与第二运动支链结构连接相同。

八杆可折展动平台包括连杆a、双轴舵机模块、连杆b、齿轮模块；八杆折展机构完全展开为一正方形，正方形每条边由一个连杆a、一个双轴舵机模块和一个连杆b通过螺栓依次相连而成，四条边分别通过四个齿轮模块首尾相连；八杆折展动平台具有收缩与伸展功能。

实现其捕获功能的控制方法如下：

步骤y1，多连杆环抱式空间捕获机构安装在空间飞行器下方，在跟随空间飞行器巡航时处于压缩状态，此时八杆可折展动平台上的四个双轴舵机模块角度一致，八杆可折展动平台完全展开为正方形姿态，定平台上的四个双轴舵机模块角度一致，将八杆可折展动平台拉到靠近定平台位置处，直流减速电机将八杆可折展动平台保持在开口平行于定平台的状态；

步骤y2，当发现捕获目标时捕获机构靠近目标，将八杆可折展动平台的正方形开口对准目标，位于定平台上的四个双轴舵机模块开始同步转动，将八杆可折展动平台的正方形开口从目标外侧穿过，将目标容纳到4-URU并联机构的内部，完成对目标的包络；

步骤y3,位于定平台上的四个双轴舵机模块继续同步转动，驱动四条运动支链上的四个R副模块向目标接近，八杆可折展动平台上的四个双轴舵机模块也开始同步转动，驱动八杆可折展动平台向内收缩，使四个R副模块和八杆可折展动平台上的四个双轴舵机模块均接触目标，将目标抓捕并向内收拢，最终在八个关节触点的夹持下将目标捕获。

本申请的有益效果主要表现在：整个空间捕获机构只需要一个电机、八个舵机即可实现折叠收纳、展开捕获、环抱收紧的功能，电机使用数量减少降低了空间捕获机构的整体重量及能量消耗，有助于提升空间捕获机构的续航能力；多捕获自由度、高刚度、对接精度要求低、抓捕力大的优势有助于空间捕获机构实现对目标的快速、有效捕获。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的明显变形方式。

图1一种多连杆环抱式空间捕获机构的整体结构图。

图2一种多连杆环抱式空间捕获机构的定平台示意图。

图3A一种多连杆环抱式空间捕获机构的无电机驱动模块轴测示意图。

图3B一种多连杆环抱式空间捕获机构的无电机驱动模块示意图。

图4一种多连杆环抱式空间捕获机构的有电机驱动模块示意图。

图5A一种多连杆环抱式空间捕获机构的第一运动支链示意图。

图5B一种多连杆环抱式空间捕获机构的第二运动支链示意图。

图5C一种多连杆环抱式空间捕获机构的运动支链原理示意图。

图6一种多连杆环抱式空间捕获机构的双轴舵机模块示意图。

图7一种多连杆环抱式空间捕获机构的R副模块示意图。

图8一种多连杆环抱式空间捕获机构的U副模块示意图。

图9一种多连杆环抱式空间捕获机构的八杆可折展动平台结构示意图。

图10一种多连杆环抱式空间捕获机构的齿轮模块示意图。

图11A一种多连杆环抱式空间捕获机构的初始捕获状态示意图。

图11B一种多连杆环抱式空间捕获机构的包络目标状态示意图。

图11C一种多连杆环抱式空间捕获机构的完成目标捕获示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，多连杆环抱式空间捕获机构包括：机构外接法兰盘(1)，定平台(2)，4-URU并联机构(3)，八杆可折展动平台(4)。

如图1所示，机构外接法兰盘(1)包括上端四孔大圆盘(1-1)，第一主动轴(1-2),下端四孔小圆盘(1-3)；上端四孔大圆盘(1-1)安装有四个螺栓，用于对接空间飞行器，第一主动轴(1-2)用于连接上端四孔大圆盘(1-1)和下端四孔小圆盘(1-3)。

如图2所示，定平台(2)包括三个定平台圆盘(21，21’，21”)、四个连接杆(22)、八个短轴套(23)、八个长轴套(26)；第一定平台圆盘(21)通过螺栓安装在机构外接法兰盘(1)的下端，四个连接杆(22)通过螺栓与第一定平台圆盘(21)连接，第一定平台圆盘(21)与第二定平台圆盘(21’)之间安装有八个短轴套(23)；第二定平台圆盘(21’)与第三定平台圆盘(21”)之间安装有八个长轴套(26)，第二动平台圆盘(21’)与第三动平台圆盘(21”)之间对称地布置四个驱动模块，分别通过螺栓与四个连接杆(22)相连，四个驱动模块包括一个有电机驱动模块(25)和三个无电机驱动模块(24)，分别用来驱动第一运动支链(3-1)、第二运动支链(3-2)、第三运动支链(3-3)和第四运动支链(3-4)。

如图3A和3B所示，无电机驱动模块(24)包括E形支架(241)、防松螺母(242)、垫片(243)、轴套(244)、轴承(245)、短轴(246)，短轴(246)与E形支架(241)之间通过三个轴承(245)和两个轴套(244)相连接，三个轴承(245)分别安装于E形支架(241)的三个短板的圆孔内，两个轴套(244)分别位于E形支架(241)三个短板的两个间隔内，短轴(246)右端通过垫片(243)与防松螺母(242)相连接，短轴(246)左端装有两个垫片(243)，短轴(246)左端伸出长度用于连接4-URU并联机构(3)的运动支链，E形支架(241)长板上有两个螺栓孔，无电机驱动模块(24)通过两个螺栓与连接杆(22)相连。

如图4所示，有电机驱动模块(25)包括E形支架(241)、垫片(243)、轴套(244)、轴承(245)、短轴(246)、直流减速电机(251)、电机支架(252)、联轴器(253)，短轴(246)与E形支架(241)通过三个轴承(245)和两个轴套(244)相连接，三个轴承(245)分别安装于E形支架(241)的三个短板的圆孔内，两个轴套(244)分别位于E形支架(241)三个短板的两个间隔内，所述短轴(246)左端装有两个垫片(243)，短轴(246)左端伸出长度用于连接4-URU并联机构(3)的运动支链，短轴(246)右端通过所述垫片(243)、联轴器(253)与直流减速电机(251)相连接，直流减速电机(251)通过螺钉安装在所述电机支架(252)上，电机支架(252)通过四个螺栓安装在第三定平台圆盘(21”)上。

如图5A所示，第一运动支链(3-1)包括有电机驱动模块(25)、双轴舵机模块(31)、第一连杆(32)、R副转动模块(33)、第二连杆(34)、U副模块(35)，双轴舵机模块(31)左端与有电机驱动模块(25)相连接，右端与第一连杆(32)相连接，第一连杆(32)与第二连杆(34)通过R副模块(33)相连接，第二连杆(34)末端与U副模块(35)相连接。

如图5B所示，第二运动支链(3-2)包括无电机驱动模块(24)、双轴舵机模块(31)、第一连杆(32)、R副模块(33)、第二连杆(34)、U副模块(35)，双轴舵机模块(31)左端与无电机驱动模块(24)相连接，右端与第一连杆(32)相连接，第一连杆(32)与第二连杆(34)通过所述的R副模块(33)相连接，第二连杆(34)末端与U副模块(35)相连接，第三运动支链(3-3)、第四运动支链(3-4)结构与第二运动支链(3-2)相同。

如图5C所示，第一运动支链(3-1)、第二运动支链(3-2)、第三运动支链(3-3)、第四运动支链(3-4)的支链原理均为URU构型。

如图6所示，双轴舵机模块(31)包括法兰盘a(311)、短U支架(312)、双轴舵机(313)、舵机法兰盘(314)、长U支架(315)、法兰盘b(316)，法兰盘a(311)通过螺栓与短U支架(312)相连接，短U支架(312)通过螺栓与双轴舵机(313)相连接，双轴舵机(313)两侧各安装一个舵机法兰盘(314)，长U支架(315)通过螺栓安装在两个舵机法兰盘(314)上，长U支架(315)末端通过螺栓与法兰盘b(316)相连接。

如图7所示，R副转动模块(33)包括R副接头a(331)、球状触点(332)、R副接头b(333)，通过螺栓将R副接头a(331)、球状触点(332)、R副接头b(333)相连接在一起。

如图8所示，U副模块(35)包括法兰盘c(351)、U副连接件a(352)、十字轴(353)、U副连接件b(354)，法兰盘c(351)通过螺栓与U副连接件a(352)相连接，U副连接件a(352)与U副连接件b(354)通过十字轴(353)连接在一起。

如图9所示，八杆可折展动平台(4)包括连杆a(41)、双轴舵机模块(31)、连杆b(42)、齿轮模块(43),八杆可折展动平台(4)完全展开为一正方形，正方形每条边由一个连杆a(41)、一个双轴舵机模块(31)和一个连杆b(42)通过螺栓依次相连而成，四条边分别通过四个齿轮模块(43)首尾相连。

如图10所示，齿轮模块(43)包括法兰连接件(431)、不完全齿轮轴(432)、薄片连接件(433)，法兰连接件(431)通过螺栓与不完全齿轮轴(432)上的一对齿轮的上端相连接，不完全齿轮轴(432)上的一对齿轮的下端与薄片连接件(433)相连接。

如图11A所示，多连杆环抱式空间捕获机构抓捕外轮廓为球体的目标，在初始捕获状态下，捕获机构处于压缩状态，八杆可折展动平台(4)完全展开为正方形且位于靠近定平台(2)处，发现目标后多连杆环抱式空间捕获机构靠近目标，八杆可折展动平台(4)的正方形开口对准目标准备捕获。

如图11B所示，多连杆环抱式空间捕获机构抓捕外轮廓为球体的目标，在八杆可折展动平台(4)的正方形开口对准目标后，4-URU并联机构(3)的四条运动支链逐渐展开，将八杆可折展动平台(4)的正方形开口从目标外侧穿过，将目标容纳到4-URU并联机构(3)的内部，完成对目标的包络。

如图11C所示，多连杆环抱式空间捕获机构抓捕外轮廓为球体的目标，4-URU并联机构(3)的四条运动支链向目标接近，八杆可折展动平台(4)向内收缩，使四条运动支链上的四个球状触点(332)和八杆可折展动平台(4)上的四个双轴舵机模块(31)与目标接触，在八个关节触点的夹持下，多连杆环抱式空间捕获机构完成对球体目标的捕获。

Claims (4)

1.一种多连杆环抱式空间捕获机构，其特征在于，包括：机构外接法兰盘(1)，定平台(2)，4-URU并联机构(3)，八杆可折展动平台(4)；

所述的机构外接法兰盘(1)、定平台(2)安装在多连杆环抱式空间捕获机构的上端，所述的4-URU并联机构(3)安装在捕获机构的外侧；所述的八杆可折展动平台(4)安装在捕获机构的下端；

所述的机构外接法兰盘(1)包括上端四孔大圆盘(1-1)，第一主动轴(1-2)，下端四孔小圆盘(1-3)；所述的上端四孔大圆盘(1-1)安装有四个螺栓，用于对接空间飞行器，所述的第一主动轴(1-2)用于连接上端四孔大圆盘(1-1)和下端四孔小圆盘(1-3)；

所述的4-URU并联机构(3)包括第一运动支链(3-1)、第二运动支链(3-2)、第三运动支链(3-3)和第四运动支链(3-4)，支链形式均为URU构型，对称布置在定平台(2)的四周，四条运动支链上端通过螺栓固定连接在定平台(2)上，下端通过螺栓与八杆可折展动平台(4)相连；

所述的4-URU并联机构(3)具有五个自由度，采用五个驱动完全约束运动，其中四个驱动采用四个双轴舵机模块(31)驱动，均布置在位于定平台(2)上与运动支链相连的转动关节上，分别用于控制四条运动支链的运动，第五个驱动采用直流减速电机(251)驱动，布置在任意一条运动支链中垂直于舵机轴线且平行于定平台(2)的转动关节上，用于控制八杆可折展动平台(4)开口的朝向；八杆可折展动平台(4)在对称的四个转动关节上加入四个双轴舵机模块(31)驱动，用于控制八杆可折展动平台(4)的收缩与展开；

所述的第一运动支链(3-1)包括有电机驱动模块(25)、双轴舵机模块(31)、第一连杆(32)、R副模块(33)、第二连杆(34)、U副模块(35)，所述的双轴舵机模块(31)左端与所述的有电机驱动模块(25)相连接，右端与所述的第一连杆(32)相连接，所述的第一连杆(32)与所述的第二连杆(34)通过所述的R副模块(33)相连接，所述的第二连杆(34)末端与所述的U副模块(35)相连接；

所述的第二运动支链(3-2)包括无电机驱动模块(24)、双轴舵机模块(31)、第一连杆(32)、R副模块(33)、第二连杆(34)、U副模块(35)，所述的双轴舵机模块(31)左端与所述的无电机驱动模块(24)相连接，右端与所述的第一连杆(32)相连接，所述的第一连杆(32)与所述的第二连杆(34)通过所述的R副模块(33)相连接，所述的第二连杆(34)末端与所述的U副模块(35)相连接；

所述的第三运动支链(3-3)、第四运动支链(3-4)与所述的第二运动支链(3-2)结构连接相同；

所述的双轴舵机模块(31)包括法兰盘a(311)、短U支架(312)、双轴舵机(313)、舵机法兰盘(314)、长U支架(315)、法兰盘b(316)，所述的法兰盘a(311)通过螺栓与所述短U支架(312)相连接，短U支架(312)通过螺栓与双轴舵机(313)相连接，所述的双轴舵机(313)两侧各安装一个舵机法兰盘(314)，所述的长U支架(315)通过螺栓安装在两个所述的舵机法兰盘(314)上，长U支架(315)末端通过螺栓与所述的法兰盘b(316)相连接；

所述的R副模块(33)包括R副接头a(331)、球状触点(332)、R副接头b(333)，通过螺栓将所述的R副接头a(331)、球状触点(332)、R副接头b(333)相连接在一起；

所述的U副模块(35)包括法兰盘c(351)、U副连接件a(352)、十字轴(353)、U副连接件b(354)，所述的法兰盘c(351)通过螺栓与U副连接件a(352)相连接，U副连接件a(352)与U副连接件b(354)通过十字轴(353)连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种多连杆环抱式空间捕获机构，其特征在于：所述的定平台(2)包括第一定平台圆盘(21)、第二定平台圆盘(21’)、第三定平台圆盘(21”)、连接杆(22)、短轴套(23)、长轴套(26)；

所述的第一定平台圆盘(21)通过螺栓安装在机构外接法兰盘(1)的下端四孔小圆盘(1-3)上，四个连接杆(22)通过螺栓与第一定平台圆盘(21)连接，第一定平台圆盘(21)与第二定平台圆盘(21’)之间安装有八个短轴套(23)；

所述的第二定平台圆盘(21’)与第三定平台圆盘(21”)之间对称地布置三个无电机驱动模块(24)和一个有电机驱动模块(25)，第二定平台圆盘(21’)与第三定平台圆盘(21”)中间装有八个长轴套(26)，第一定平台圆盘(21)、第二定平台圆盘(21’)和第三定平台圆盘(21”)之间通过八根长螺栓连接，长螺栓依次穿过短轴套(23)和长轴套(26)；

所述的无电机驱动模块(24)包括E形支架(241)、防松螺母(242)、垫片(243)、轴套(244)、轴承(245)、短轴(246)，所述短轴(246)与所述E形支架(241)之间通过三个所述轴承(245)和两个所述轴套(244)相连接，所述短轴(246)右端通过所述垫片(243)与所述防松螺母(242)相连接，所述短轴(246)左端装有两个所述垫片(243)，所述短轴(246)左端伸出长度用于连接所述4-URU并联机构(3)的运动支链，所述E形支架(241)长板上有两个螺栓孔，所述无电机驱动模块(24)通过两个螺栓与所述连接杆(22)相连；

所述的有电机驱动模块(25)包括E形支架(241)、垫片(243)、轴套(244)、轴承(245)、短轴(246)、直流减速电机(251)、电机支架(252)、联轴器(253)，所述短轴(246)与所述E形支架(241)通过三个所述轴承(245)和两个所述轴套(244)相连接，三个所述轴承(245)分别安装于所述E形支架(241)的三个短板的圆孔内，两个所述轴套(244)分别位于所述E形支架(241)三个短板的两个间隔内，所述短轴(246)左端装有两个所述垫片(243)，所述短轴(246)左端伸出长度用于连接所述4-URU并联机构(3)的运动支链，所述短轴(246)右端通过所述垫片(243)、所述联轴器(253)与所述直流减速电机(251)相连接，所述直流减速电机(251)通过螺钉安装在所述电机支架(252)上，所述电机支架(252)通过四个螺栓安装在所述第三定平台圆盘(21”)上。

3.根据权利要求1所述的一种多连杆环抱式空间捕获机构，其特征在于：所述的八杆可折展动平台(4)完全展开为一正方形，正方形每条边包括连杆a(41)、双轴舵机模块(31)、连杆b(42)，正方形四条边通过齿轮模块(43)首尾相连；

所述的连杆a(41)、双轴舵机模块(31)、连杆b(42)通过螺栓依次相连，连杆a(41)左端和连杆b(42)的右端分别通过螺栓与齿轮模块(43)相连；

所述的齿轮模块(43)包括法兰连接件(431)、不完全齿轮轴(432)、薄片连接件(433)，通过两根螺栓将所述的法兰连接件(431)与一对所述不完全齿轮轴(432)上的啮合齿轮、所述的薄片连接件(433)连接在一起。

4.根据权利要求1所述的一种多连杆环抱式空间捕获机构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤y1，多连杆环抱式空间捕获机构安装在空间飞行器下方，在跟随空间飞行器巡航时处于压缩状态，此时八杆可折展动平台(4)上的四个双轴舵机模块(31)角度一致，八杆可折展动平台(4)完全展开为正方形姿态，定平台(2)上的四个双轴舵机模块(31)角度一致，将八杆可折展动平台(4)拉到靠近定平台(2)位置处，直流减速电机(251)将八杆可折展动平台(4)保持在开口平行于定平台(2)的状态；

步骤y2，当发现捕获目标时捕获机构靠近目标，将八杆可折展动平台(4)的正方形开口对准目标，八杆可折展动平台(4)上的四个双轴舵机模块(31)开始同步转动，将八杆可折展动平台(4)的正方形开口从目标外侧穿过，将目标容纳到4-URU并联机构(3)的内部，完成对目标的包络；

步骤y3,定平台(2)上的四个双轴舵机模块(31)继续同步转动，驱动四条运动支链上的四个球状触点(332)向目标接近，八杆可折展动平台(4)上的四个双轴舵机模块(31)也开始同步转动，驱动八杆可折展动平台(4)向内收缩，使四个球状触点(332)和八杆可折展动平台(4)上的四个双轴舵机模块(31)均接触目标，将目标抓捕并向内收拢，最终在八个关节触点的夹持下将目标捕获；

该多连杆环抱式空间捕获机构仅由一个电机、八个舵机驱动即可实现折叠收纳、展开捕获、环抱收紧的功能。

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