CN113955160B - 用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法，装置包括基板、收展机构、捕获扇面机构和防逃逸机构。在收展机构中，安装座的底端通过垫片和基座固连，动片的第一端和安装座的侧面固连，动片的第二端和第一驱动舵机外壳的侧面固连，第一驱动舵机的输出轴和旋转架的第一端连接，旋转架的第二端和扇面框架固连；在防逃逸机构中，第二驱动舵机的输出轴和支撑轴固连，竖杆安装块的顶端和竖杆的底端固连，竖杆的顶端分别与上绳轮的中心孔和防逃逸框连接，上绳轮通过联动钢丝绳和下绳轮连接。本发明的操控方法包括展开、感知、捕获和收拢。本发明在捕获过程能自动居中，具备防逃逸、捕获和姿态调整等功能，能够快速完成捕捉，逃逸率低。

Description

用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域，特别涉及一种用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法。

背景技术

随着航天技术的不断发展，对于未知样品的在轨回收是深空探测活动中一项关键性技术，已成为各国宇航领域研究的重点。在深空探测中，采样探测器将样品在轨释放，由返回航天器进行再捕获，实现样品在轨转移功能，从而避开两飞行器之间复杂的交会对接操作，是一种样品转移返回的技术途径。在轨释放后的样品没有安装特定的对接接口，也不会主动调整自身的位置姿态，属于非合作对接目标。相比合作对接而言，非合作目标捕获技术适用范围更广、发展前景更好。该项技术的研究对我国航天事业的发展有着积极的推动作用。样本舱属于非合作样品，其捕获转移系统在功能要求、性能指标和捕获动力学等方面要求较高，在有限的重量条件下，需要将捕获机构和转移机构进行一体化设计，既完成对样品舱的抓捕又要将其转移至特定位置。

目前在简化设计方案和轻量化上存在一定的技术难度，因此，迫切需要一种可捕获样品舱的捕获装置去解决上述问题，并完成相应的捕获任务。

发明内容

目前在简化设计方案和轻量化上存在一定的技术难度，因此，迫切需要一种可捕获样品舱的捕获装置去解决上述问题，并完成相应的捕获任务。

本发明提供了一种用于深空探测的可折展捕获装置，其包括基板、收展机构、捕获扇面机构和防逃逸机构，所述收展机构的下端和所述基板的第一安装端连接，所述收展机构的上端和所述捕获扇面机构连接，所述防逃逸机构和所述基板的第二安装端连接。所述收展机构，其包括安装座、动片、旋转架、第一驱动舵机、垫片、检测阵列传感器和扇面框架，所述安装座的底端通过垫片和所述基板的第一安装端固定连接，所述动片为记忆复合材料，在收拢态时处于弯曲状态，在展开时被加热伸直，所述动片的第一端和所述安装座的侧面固定连接，所述动片的第二端和所述第一驱动舵机外壳的侧面固定连接，所述第一驱动舵机外壳的第一端和所述安装座的顶端连接，所述第一驱动舵机的输出轴和所述旋转架的第一端连接，所述旋转架的第二端和所述扇面框架的底端固定连接，所述扇面框架的顶端设有检测阵列传感器，所述扇面框架的安装端和所述捕获扇面机构固定连接。所述防逃逸机构，其包括第二驱动舵机、安装架、下绳轮、竖杆安装块、竖杆、上绳轮、联动钢丝绳、防逃逸框、弹簧、定位销、销钉和支撑轴，所述第二驱动舵机的外壳和所述安装架顶端的第一安装端固定连接，所述第二驱动舵机的输出轴和所述支撑轴的第一端固定连接，所述支撑轴的第二端依次穿过下绳轮的中心孔和竖杆安装块的中心孔与所述安装架的侧端连接，所述竖杆安装块位于所述安装架顶端的第二安装端的内部，所述竖杆安装块的顶端和所述竖杆的底端固定连接，所述竖杆的顶端分别与所述上绳轮的中心孔和所述防逃逸框连接。所述上绳轮的边缘槽通过联动钢丝绳和所述下绳轮的边缘槽连接，所述联动钢丝绳的起始端通过销钉和所述下绳轮的固定孔固定连接，所述竖杆安装块底端的安装孔内设有弹簧和定位销，在竖杆安装块从水平到达竖直状态后，所述定位销被弹簧的弹力弹入所述安装架侧端的安装孔，从而达到固定的作用。

可优选的是，所述收展机构的数量和所述捕获扇面机构的数量相等，均为四个；所述防逃逸机构的数量为一个，所述收展机构和所述捕获扇面机构分别两两对称分布在所述基板的四个方位，所述防逃逸机构位于相邻两个收展机构的中部。

可优选的是，所述支撑轴的轴线、所述下绳轮的中心孔和所述竖杆安装块的中心孔在同一条直线上，所述防逃逸框的安装中心孔、所述上绳轮的中心孔和所述竖杆上端的中心孔在一条直线上。

可优选的是，所述垫片的数量为四个，每个垫片的厚度均不相同，确保所述扇面框架在收拢态时，扇面框架处于水平状态。

可优选的是，所述扇面框架的安装端设有高度调节孔，便于和垫片的厚度进行匹配。

本发明的另外一个方面，提供一种用于深空探测的可折展捕获装置的操控方法，其包括以下步骤：

S1、展开捕获装置：首先防逃逸机构在与旋转架连接的第二驱动舵机的作用下，通过与支撑轴连接的竖杆安装块，从收拢状态变为竖直状态；接着最上层捕获扇面机构、次上层捕获扇面机构、次下层捕获扇面机构和下层捕获扇面机构在与安装座连接的动片的作用下依次进行展开；

S2、感知样品舱：当位于扇面框架顶端的检测阵列传感器检测到样品舱进入捕获扇面机构的捕获区后，依次启动捕获扇面机构和防逃逸机构；

S3、防逃逸机构捕获：启动第二驱动舵机，第二驱动舵机逆时钟方向旋转，通过下绳轮和联动钢丝绳带动上绳轮旋转，使防逃逸框相对竖杆向靠近捕获扇面机构的方向旋转，完成第一次顶部的封堵；

S4、捕获扇面结构捕获：启动与安装座连接的第一驱动舵机，在旋转架的带动下，扇面框架和捕获扇面机构对捕获的样品舱进行位置居中，并送入收集装置。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1. 本发明采用记忆复合材料制成的动片来进行捕获扇面机构的展开驱动，依次对动片进行电加热，实现捕获扇面机构的顺序展开, 避免了电机驱动的复杂机械结构，具有结构合理、体积小、重量轻和控制方便的特点。

2. 本发明采用驱动舵机分别实现捕获扇面机构和防逃逸框的驱动展开，使整个装置更加紧凑，捕获扇面机构为轻量化扇面，通过不锈钢网线和薄布蒙皮的组合设计使整个装置更加轻量化。

3．本发明轻量化的捕获扇面机构及防逃逸框具有结构设计合理，单个捕获扇面机构的质量可做到200g以内，在满足捕获扇面机构尺寸大、要求结构轻巧的情况下，整个装置刚度性能好。

4. 本发明在捕获过程中能够自动居中，同时具备防逃逸、捕获、姿态调整和居中等不同的功能，与轻量化技术结合起来，使得整个装置更加适用于深空探测。本发明在不需要其它辅助工具的前提下，便可以快速完成舱段的捕捉，减少多个装置的占用轨道空间，更有利于深空探测的应用。

附图说明

图1为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法的整体结构图；

图2为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法中收展机构A处的放大图；

图3为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法的防逃逸机构结构图；

图4a为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法中防逃逸机构B处的放大图；

图4b为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法中防逃逸机构B处的剖视图；

图5为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法的防逃逸机构钢丝绳缠绕图；

图6a为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法的收拢状态图；

图6b为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法的发射状态图；

图6c为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法的第一捕获状态图；

图6d为本发明用于深空探测的可折展捕获装置及其操控方法的第二捕获状态图。

主要附图标记：

基板1，收展机构2，捕获扇面机构3，样品舱4，防逃逸机构5，垫片6，检测阵列传感器7，扇面框架8，安装座9，动片10，旋转架11，第一驱动舵机12，竖杆13，联动钢丝绳14，上绳轮15，防逃逸框16，安装架17，第二驱动舵机18，竖杆安装块19，下绳轮20，弹簧21，定位销22，支撑轴23，销钉24。

实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明的用于深空探测的可折展捕获装置，用来实现深空探测活动中未知样品的在轨回收，如图1所示，包括基板1、收展机构2、捕获扇面机构3和防逃逸机构5，收展机构2的下端和基板1的第一安装端连接，收展机构2的上端和捕获扇面机构3连接，防逃逸机构5和基板1的第二安装端连接，捕获扇面机构3为轻量化扇面，不锈钢网线将内圆形框架绷紧，内侧使用薄布蒙皮。

具体而言，收展机构2的数量和捕获扇面机构3的数量相等，均为四个；防逃逸机构5的数量为一个，收展机构2和捕获扇面机构3分别两两对称分布在基板1的四个方位，防逃逸机构5位于相邻两个收展机构2的中部。

收展机构2利用形状记忆复合材料技术实现扇面的收展，捕获扇面机构3为轻量化扇面框架，防逃逸机构5整体由第二驱动舵机18驱动，可同时实现展开和防逃逸捕获两个功能。展开时第二驱动舵机18带动防逃逸机构5整体顺时钟方向旋转，使竖杆13进入直立状态。当竖杆13锁定后，第二驱动舵机18旋转轴的转动通过联动钢丝绳14传递给防逃逸框16，从而带动防逃逸框16关于竖杆13顶部销轴的转动。竖杆13及防逃逸框16采用中空结构以减轻重量。在样品舱4即将到达捕获装置时，捕获装置由收拢态转化为展开态，扇面动作居中回收样品舱4。该装置采用将样品舱4在轨释放后再由捕获装置收纳的方式，以此达到样品在轨回收的目的。

收展机构2具有展开动作及扇面框架8水平旋转两个动作，展开动作由动片10来驱动；收拢态时，动片10处于弯曲状态。需要展开时，动片10为记忆合金材料通过电加热伸直，带动旋转架11 进行90°旋转，完成扇面框架8由收拢状态向展开状态的转变，扇面框架8的水平旋转动作由第一驱动舵机12来驱动。

由于扇面框架8和捕获扇面机构3存在一定的厚度，收拢状态时会形成一定的堆叠高度。堆叠高度由安装架9与基板1之间的垫片6来适应，不同叠放顺序的扇面框架8对应垫片6不同的厚度，确保收拢态时扇面框架8处于水平状态。

垫片6厚度不同，如果扇面捕获机构2安装位置不变，则会引起展开态时扇面捕获机构2上沿位置的不同高度不一致，为解决此问题，扇面框架8的安装端设有适应不同垫片6厚度的高度调节孔，共4档可调，便于和垫片6的厚度进行匹配，并确保展开状态下扇面框架8的上沿高度一致。

如图2所示，收展机构2，包括安装座9、动片10、旋转架11、第一驱动舵机12、垫片6、检测阵列传感器7和扇面框架8，扇面框架8采用复合材料，不锈钢网线将内圆形框架绷紧。安装座9的底端通过垫片6和基板1的第一安装端固定连接，动片10为记忆复合材料，具有体积小、重量轻、控制方便的特点，在收拢态时处于弯曲状态，在展开时被加热伸直，动片10的第一端和安装座9的侧面固定连接，动片10的第二端和第一驱动舵机12外壳的侧面固定连接，第一驱动舵机12外壳的第一端和安装座9的顶端连接，第一驱动舵机12的输出轴和旋转架11的第一端连接，旋转架11的第二端和扇面框架8的底端固定连接，扇面框架8的顶端设有检测阵列传感器7，扇面框架8的安装端和捕获扇面机构3固定连接，第一驱动舵机12驱动扇面框架8的水平旋转动作。

防逃逸机构3，如图3所示，包括第二驱动舵机18、安装架17、下绳轮20、竖杆安装块19、竖杆13、上绳轮15、联动钢丝绳14、防逃逸框16、弹簧21、定位销22、销钉24和支撑轴23，进一步地，为降低结构重量、同时保证结构强度及刚度，竖杆13及防逃逸框16连接杆均采用空心不锈钢管结构。

竖杆13的两端关节结构均可折叠，可在第二驱动舵机18驱动下实现折叠展开与防逃逸捕获两个动作；折叠状态下，第二驱动舵机18顺时针旋转，通过支撑轴23带动竖杆安装块19旋转；当竖杆13达到直立状态时，定位销22在弹簧21的作用下进入安装架17侧端的安装孔内，并实现对竖杆安装块19的位置锁定，同时第二驱动舵机18停止转动，此过程由于竖杆13和下绳轮20相对位置没有变化，防逃逸网16相对竖杆13无运动。捕获作业时，第二驱动舵机18逆时针方向旋转，这时由于竖杆13被销钉24锁定，所以下绳轮20相对竖杆13旋转，由联动钢丝绳14带动上绳轮15相对竖杆13旋转，从而实现防逃逸框16相对竖杆13的旋转，完成捕获动作。

如图4a所示，第二驱动舵机18的外壳和安装架17顶端的第一安装端固定连接，第二驱动舵机18的输出轴和支撑轴23的第一端固定连接，支撑轴23的第二端依次穿过下绳轮20的中心孔和竖杆安装块19的中心孔与安装架17的侧端连接，竖杆安装块19位于安装架17顶端的第二安装端的内部，竖杆安装块19的顶端和竖杆13的底端固定连接，竖杆13的顶端分别与上绳轮15的中心孔和防逃逸框16连接。

如图5所示，上绳轮15的边缘槽通过联动钢丝绳14和下绳轮20的边缘槽连接，为保证下绳轮20与联动钢丝绳14之间力的传递，联动钢丝绳14穿过下绳轮20上小孔并采用销钉24进行固定，同时为实现防逃逸框16的270°的动作行程，在此采用联动钢丝绳14在下绳轮20上缠绕1.5圈的方式来适应。如图4b所示，竖杆安装块19底端的安装孔内设有弹簧21和定位销22，在竖杆安装块19从水平到达竖直状态后，定位销22被弹簧21的弹力弹入安装架17侧端的安装孔，从而达到固定的作用。

在本发明的一个优选实施例中，驱动舵机具有体积小、重量轻、控住方便和输出力矩大的特点。

支撑轴23的轴线、下绳轮20的中心孔和竖杆安装块19的中心孔在同一条直线上，防逃逸框16的安装中心孔、上绳轮15的中心孔和竖杆13上端的中心孔在一条直线上。

垫片6的数量为四个，每个垫片6的厚度均不相同，确保扇面框架8在收拢态时，扇面框架8处于水平状态。进一步地，设置垫片6的原因在于，扇面框架8存在一定的厚度，叠放时会形成一定的堆叠高度，但需确保扇面框架8在展开状态时，扇面框架8的上沿高度一致。

以下结合实施例对本发明一种用于深空探测的可折展捕获装置及操控方法做进一步描述：

本发明装置的工作过程是这样实现地：

S1、展开捕获装置：如图6a所示，此时整个装置处于收拢状态，用于发射过程，当收到捕获通知后，首先防逃逸机构5在收展机构2中与支撑轴23连接的第二驱动舵机18的作用下，第二驱动舵机18带动支撑轴23顺时针旋转，通过与支撑轴23连接的竖杆安装块19，从收拢状态变为竖直状态，此时位于竖杆安装块19底端安装孔内的定位销22在弹簧21的作用下进入安装架17侧端的安装孔内，并实现对竖杆安装块19的位置锁定，同时第二驱动舵机18停止转动；接着最上层捕获扇面机构、次上层捕获扇面机构、次下层捕获扇面机构和下层捕获扇面机构在与安装座9连接的动片10的作用下依次进行展开。

S2、感知样品舱4：如图6b所示，当样品舱4接近捕获扇面机构3的捕获区时，位于扇面框架8顶端的检测阵列传感器7的上层感知到样品舱4，待样品舱4进一步深入捕获扇面机构3的捕获区，被检测阵列传感器7的下层感知，当样品舱4深入捕获扇面机构3的捕获区210mm，此时检测阵列传感器7上层距扇面框架8顶部约40mm时，样品舱4末端离开检测阵列传感器7上层检测区，并被检测阵列传感器7上层感知，依次启动捕获扇面机构3和防逃逸机构5。

S3、防逃逸机构5捕获：如图6c所示，启动第二驱动舵机18，第二驱动舵机18逆时钟方向旋转，在定位销22的作用下，通过下绳轮20和联动钢丝绳14带动上绳轮15旋转，使防逃逸框16相对竖杆13向靠近捕获扇面机构3的方向旋转，完成第一次顶部的封堵，此时样品舱4不会发生逃逸现象，捕获精准，效率高。

S4、捕获扇面结构3捕获：如图6d所示，启动与安装座9连接的第一驱动舵机12，在旋转架11的带动下，扇面框架8和捕获扇面机构3对捕获的样品舱4进行位置居中，并送入收集装置。

通过上述的工作过程可知，本发明的捕获扇面机构3的扇面的收展比大，重量轻；动片10采用记忆复合材料来实现顺序展开，体积小且控制方便；驱动舵机具有体积小、输出力矩大以及控制方便等性能；捕获扇面机构3的轻量化扇面及防逃逸框16具有大刚度的优点；在捕获过程中自动居中，同时具备防逃逸、捕获、姿态调整和居中等功能；与形状记忆复合材料技术结合良好。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于深空探测的可折展捕获装置，其包括基板、收展机构、捕获扇面机构和防逃逸机构，所述收展机构的下端和所述基板的第一安装端连接，所述收展机构的上端和所述捕获扇面机构连接，所述防逃逸机构和所述基板的第二安装端连接，其特征在于，

所述收展机构，其包括安装座、动片、旋转架、第一驱动舵机、垫片、检测阵列传感器和扇面框架，所述安装座的底端通过垫片和所述基板的第一安装端固定连接，所述动片为记忆复合材料，在收拢态时处于弯曲状态，在展开时被加热伸直，所述动片的第一端和所述安装座的侧面固定连接，所述动片的第二端和所述第一驱动舵机外壳的侧面固定连接，所述第一驱动舵机外壳的第一端和所述安装座的顶端连接，所述第一驱动舵机的输出轴和所述旋转架的第一端连接，所述旋转架的第二端和所述扇面框架的底端固定连接，所述扇面框架的顶端设有检测阵列传感器，所述扇面框架的安装端和所述捕获扇面机构固定连接；

所述防逃逸机构，其包括第二驱动舵机、安装架、下绳轮、竖杆安装块、竖杆、上绳轮、联动钢丝绳、防逃逸框、弹簧、定位销、销钉和支撑轴，所述第二驱动舵机的外壳和所述安装架顶端的第一安装端固定连接，所述第二驱动舵机的输出轴和所述支撑轴的第一端固定连接，所述支撑轴的第二端依次穿过下绳轮的中心孔和竖杆安装块的中心孔与所述安装架的侧端连接，所述竖杆安装块位于所述安装架顶端的第二安装端的内部，所述竖杆安装块的顶端和所述竖杆的底端固定连接，所述竖杆的顶端分别与所述上绳轮的中心孔和所述防逃逸框连接；

所述上绳轮的边缘槽通过联动钢丝绳和所述下绳轮的边缘槽连接，所述联动钢丝绳的起始端通过销钉和所述下绳轮的固定孔固定连接，所述竖杆安装块底端的安装孔内设有弹簧和定位销，在竖杆安装块从水平到达竖直状态后，所述定位销被弹簧的弹力弹入所述安装架侧端的安装孔从而实现固定。

2.根据权利要求1所述的用于深空探测的可折展捕获装置，其特征在于，所述收展机构的数量和所述捕获扇面机构的数量相等，均为四个；所述防逃逸机构的数量为一个，所述收展机构和所述捕获扇面机构分别两两对称分布在所述基板的四个方位，所述防逃逸机构位于相邻两个收展机构的中部。

3.根据权利要求1所述的用于深空探测的可折展捕获装置，其特征在于，所述支撑轴的轴线、所述下绳轮的中心孔和所述竖杆安装块的中心孔在同一条直线上，所述防逃逸框的安装中心孔、所述上绳轮的中心孔和所述竖杆上端的中心孔在一条直线上。

4.根据权利要求1所述的用于深空探测的可折展捕获装置，其特征在于，所述垫片的数量为四个，每个垫片的厚度均不相同，确保所述扇面框架在收拢态时，扇面框架处于水平状态。

5.根据权利要求1或者4所述的用于深空探测的可折展捕获装置，其特征在于，所述扇面框架的安装端设有高度调节孔，便于和垫片的厚度进行匹配。

6.一种根据权利要求1-5之一所述的用于深空探测的可折展捕获装置的操控方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、展开捕获装置：首先防逃逸机构在与旋转架连接的第二驱动舵机的作用下，通过与支撑轴连接的竖杆安装块，从收拢状态变为竖直状态；接着最上层捕获扇面机构、次上层捕获扇面机构、次下层捕获扇面机构和下层捕获扇面机构在与安装座连接的动片的作用下依次进行展开；

S2、感知样品舱：当位于扇面框架顶端的检测阵列传感器检测到样品舱进入捕获扇面机构的捕获区后，依次启动捕获扇面机构和防逃逸机构；

S3、防逃逸机构捕获：启动第二驱动舵机，第二驱动舵机逆时钟方向旋转，通过下绳轮和联动钢丝绳带动上绳轮旋转，使防逃逸框相对竖杆向靠近捕获扇面机构的方向旋转，完成第一次顶部的封堵；

S4、捕获扇面结构捕获：启动与安装座连接的第一驱动舵机，在旋转架的带动下，扇面框架和捕获扇面机构对捕获的样品舱进行位置居中，并送入收集装置。

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