CN114291293B - 基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统及其锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统及其锁定方法，属于航天领域。解决了非合作目标上往往不安装对接图案标识、对接口或者捕获抓钩，其捕获锁定过程存在着很强的不确定性的问题。它包括顶盖展开系统、X向锁定系统、Y向锁定系统和Z向升降平台，所述顶盖展开系统安装在货舱的顶盖上，用于控制顶盖的锁定，所述X向锁定系统安装在货舱的X向舱壁上，用于控制X向舱壁的锁定，所述Y向锁定系统货舱的Y向舱壁上，用于控制Y向舱壁的锁定，所述Y向锁定系统安装在货舱的Z向舱壁上，用于控制Z向舱壁的锁定。本发明具有适应性强、约束可靠等特点，满足空间操作捕获锁定的技术要求。

Description

基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统及其锁定方法

技术领域

本发明属于航天技术领域，特别是涉及一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统及其锁定方法。

背景技术

随着人类探索、开发和利用外层空间的深入，诸如故障航天器的在轨捕获与维修、空间垃圾清除等课题已成为航天技术发展需要面对和解决的课题。这类不能提供有效合作信息的空间物体(包括故障或失效卫星、空间碎片等)一般被称为空间非合作目标。由于空间非合作目标上装载着一些重要信息，需要锁紧、固定在货舱内并随空间飞机返回地面，以便进行故障分析或科学实验。

然而，非合作目标上往往不安装对接图案标识、对接口或者捕获抓钩，其捕获锁定过程存在着很强的不确定性。因此，研制出具有强适应性、可靠约束的舱内锁定装置是亟待解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统及其锁定方法，以解决非合作目标上往往不安装对接图案标识、对接口或者捕获抓钩，其捕获锁定过程存在着很强的不确定性的问题。本发明具有适应性强、约束可靠等特点，满足空间操作捕获锁定的技术要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统，包括顶盖展开系统、X向锁定系统、Y向锁定系统和Z向升降平台，所述顶盖展开系统安装在货舱的顶盖上，用于控制顶盖的锁定，所述X向锁定系统安装在货舱的X向舱壁上，用于控制X向舱壁的锁定，所述Y向锁定系统货舱的Y向舱壁上，用于控制Y向舱壁的锁定，所述Y向锁定系统安装在货舱的Z向舱壁上，用于控制Z向舱壁的锁定。

更进一步的，所述货舱包括舱底、舱壁和顶盖，其中舱壁包括+X向舱壁、-X向舱壁、+Y向舱壁和-Y向舱壁，舱底、舱壁和顶盖组成长方体空间。

更进一步的，货舱的顶盖在目标物投入时保持打开状态。

更进一步的，舱壁均为实体结构，作为各个锁定系统的安装平面。

更进一步的，所述顶盖展开系统包括运动轨道、若干刚性杆、柔性绳和展开驱动电机，运动轨道沿Y向布置在+X向侧壁和-X向侧壁上，若干刚性杆两端可在运动轨道内滑动，实现展开和收拢功能，若干刚性杆相互平行，之间通过柔性绳相连，展开驱动电机安装在+X向侧壁和-X向侧壁的上端部，通过转动收卷柔性绳，从而驱动刚性杆从收缩状态运动展开。

更进一步的，所述X向锁定系统包括多个X向滚珠丝杠、多个X向滑块、X向捆扎钢丝绳和X向驱动装置，多个X向滚珠丝杠相互平行，安装在+Y向侧壁和-Y向侧壁上，所述X向滑块与X向滚珠丝杠配合，每套X向滚珠丝杠与X向滑块的组合均由一套独立的X向驱动装置驱动；X向捆扎钢丝绳用于连接分别安装在+Y向侧壁和-Y向侧壁上的两个X向滑块。

更进一步的，所述Y向锁定系统包括多个Y向滚珠丝杠、多个Y向滑块、Y向捆扎钢丝绳和Y向驱动装置，多个Y向滚珠丝杠相互平行，安装在+X向侧壁和-X向侧壁上，Y向滑块与Y向滚珠丝杠配合，每套Y向滚珠丝杠与Y向滑块的组合均由一套独立的Y向驱动装置驱动；Y向捆扎钢丝绳用于连接分别安装在+X向侧壁和-X向侧壁上的两个Y向滑块。

更进一步的，X向驱动装置和Y向驱动装置为能够实现连续运转的驱动装置。

更进一步的，所述Z向升降平台初始状态平置在货舱的舱底上，可以通电后沿Z向上下运动。

一种所述的基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统的锁定方法，具体包括以下步骤：

(1)、顶盖的展开过程：

初始状态，刚性杆并排地收缩在货舱侧壁的容纳腔体内，避免影响目标物的投入，展开驱动电机将刚性杆展平，保持一定的预紧拉力，此时将展开驱动电机停止运动并抱死，同时借助刚性杆的自锁设计，保持刚性杆在滑动轨道内的最终状态，实现了Z向的封堵；

(2)、X向锁定过程：

X向驱动装置运转，X向滚柱丝杠动作并带动X向滑块沿着+X向运动，当X向滚珠丝杠驱动扭矩达到一定预设值时，X向捆扎钢丝绳与目标物接触并将目标物压到+X向舱壁上，X向驱动装置停止回转并借助电机抱闸抱死，保持对目标物的预紧力；

(3)、Y向锁定过程：

Y向驱动装置运转，Y向滚柱丝杠动作并带动Y向滑块沿着-Y向运动，当Y向滚珠丝杠驱动扭矩达到一定预设值时，Y向捆扎钢丝绳与目标物接触并将目标物压到-Y向舱壁上，Y向驱动装置停止回转并借助电机抱闸抱死，保持对目标物的预紧力；

(4)、升降锁定过程：

待目标物被压缩至+X向舱壁和-Y向舱壁后，货舱底部Z向升降平台沿着+Z向往上运动，推动目标物达到预设定力值，停止并保持推力状态；此时目标物的固定状态有两种：第一种，Z向升降平台达到预定力值，目标物被固定在刚性杆与Z向升降平台之间；第二种，Z向升降平台达到预定力值，不规则目标物由钢丝绳拉紧，但未与顶部预置的刚性杆接触，两种情况下，目标物均能被限制三个方向的自由度，实现空间上的完全锁定。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统及其锁定方法具有以下优势：

1、本发明锁定装置的安装可与舱壁结构高度集成，不占用货舱实际空间尺寸。

2、本发明采用柔性钢索，对未知轮廓形状和尺寸的目标物具有较高适应性。

3、本发明各向约束耦合，但不存在空间干涉。

4、本发明锁定最终位置可通过电机抱死及丝杠自锁可靠实现。

5、本发明的锁定装置重量轻，承载大，可重复使用且易于维护。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统中非合作目标安放空间坐标示意图，其中(a)表示目标物的+向，(b)表示目标物的-向；

图2为本发明所述的一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统中顶盖展开过程示意图；

图3为本发明所述的一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统中X向锁定过程示意图；

图4为本发明所述的一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统中Y向锁定过程示意图；

图5为本发明所述的一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统中Z向锁定过程示意图；

图6为本发明所述的一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统中目标物锁定状态示意图。

附图标记说明：

1-货舱，101-舱底，102-舱壁，1021-+X向舱壁，1022--X向舱壁，1023-+Y向舱壁，1024--Y向舱壁，103-顶盖，2-顶盖展开系统，201-运动轨道，202-刚性杆，203-柔性绳，204-展开驱动电机，3-X向锁定系统，301-X向滚珠丝杠，302-X向滑块，303-X向捆扎钢丝绳，4-Y向锁定系统，401-Y向滚珠丝杠，402-Y向滑块，403-Y向捆扎钢丝绳，5-Z向升降平台，6-目标物。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一、具体实施方式一，参见图1-5说明本实施方式，一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统，包括顶盖展开系统2、X向锁定系统3、Y向锁定系统4和Z向升降平台5；所述顶盖展开系统2安装在货舱1的盖板103上，用于控制盖板103的锁定，所述X向锁定系统3安装在货舱1的X向舱壁上，用于控制X向舱壁的锁定，所述Y向锁定系统4货舱1的Y向舱壁上，用于控制Y向舱壁的锁定，所述Y向锁定系统安装在货舱1的Z向舱壁上，用于控制Z向舱壁的锁定。顶盖展开系统2、X向锁定系统3、Y向锁定系统4、Z向升降平台5均安装在货舱1的壁面上，目标物6事先投入到货舱1中。

所述货舱1包括舱底101、舱壁102和顶盖103，其中舱壁102包括+X向舱壁1021、-X向舱壁1022、+Y向舱壁1023和-Y向舱壁1024。货舱1为长方体空间、开口式结构，其顶盖103在目标物6投入时保持打开状态，装入后需要借助辅助机构或结构提供沿Z向的约束。舱壁102均为实体结构，可以作为各个锁定系统的安装平面。

所述顶盖展开系统2包括运动轨道201、刚性杆202、柔性绳203、展开驱动电机204，运动轨道201沿Y向布置在+X向侧壁1021和-X向侧壁1022上，刚性杆202两端可在运动轨道201内滑动，实现展开和收拢功能，刚性杆202之间通过柔性绳203相连，展开驱动电机204安装在+X向侧壁1021和-X向侧壁1022的上端部，通过转动收卷柔性绳203，从而能够驱动刚性杆202从收缩状态运动展开。

所述X向锁定系统3包括X向滚珠丝杠301、X向滑块302、X向捆扎钢丝绳303，X向滚珠丝杠301安装在+Y向侧壁1023和-Y向侧壁1024上，X向滑块302与X向滚珠丝杠301配合，每套X向滚珠丝杠301与X向滑块302的组合均由一套独立的X向驱动装置驱动；X向捆扎钢丝绳303用于连接分别安装在+Y向侧壁1023和-Y向侧壁1024上的两个X向滑块302。

所述Y向锁定系统4包括Y向滚珠丝杠401、Y向滑块402、Y向捆扎钢丝绳403，Y向滚珠丝杠401安装在+X向侧壁1021和-X向侧壁1022上，Y向滑块402与Y向滚珠丝杠401配合，每套Y向滚珠丝杠401与Y向滑块402的组合均由一套独立的Y向驱动装置驱动；Y向捆扎钢丝绳403用于连接分别安装在+X向侧壁1021和-X向侧壁1022上的两个Y向滑块402。

所述Z向升降平台5初始状态平置在货舱1的舱底101上，可以通电后沿Z向上下运动。

所述X向驱动装置、Y向驱动装置可以是电机等可以实现连续运转的驱动装置。

当不规则目标物6放入货舱1内时，需要对其X、Y、Z三个方向的轴线自由度及回转自由度进行可靠约束。本发明采用柔性捆扎方式，利用柔性索对结构尺寸的适应性约束单向自由度，采用交叉捆扎保证多向约束，最后利用对柔性索最终位置的自锁约束，保持预紧力。

参考图1-图6说明本申请的一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定方案的锁定方法，具体包括以下步骤：

(1)、顶盖103的展开过程。参考图2说明本过程。

初始状态，刚性杆202并排地收缩在货舱1侧壁特定容纳腔体内，避免影响目标物6的投入。展开驱动电机204将刚性杆202展平，保持一定的预紧拉力，此时将展开驱动电机204停止运动并“抱死”，同时借助滚珠丝杠的自锁设计，保持刚性杆202在滑动轨道内的最终状态，实现了Z向的封堵。

(2)、X向锁定过程。参考图3说明本过程。

X向驱动装置运转，X向滚柱丝杠301动作并带动X向滑块302沿着+X向运动，当X向滚珠丝杠301驱动扭矩达到一定预设值时，X向捆扎钢丝绳303与目标物6接触并将目标物6压到+X向舱壁1021上，X向驱动装置停止回转并借助电机抱闸“抱死”，保持对目标物6的预紧力。为保证捆扎可靠，X向捆扎钢丝绳303可设置多组。

(3)、Y向锁定过程。参考图4说明本过程。

Y向驱动装置运转，Y向滚柱丝杠401动作并带动Y向滑块402沿着-Y向运动，当Y向滚珠丝杠401驱动扭矩达到一定预设值时，Y向捆扎钢丝绳403与目标物6接触并将目标物6压到-Y向舱壁1024上，Y向驱动装置停止回转并借助电机抱闸“抱死”，保持对目标物6的预紧力。为保证捆扎可靠，Y向捆扎钢丝绳403可设置多组。Y向锁定系统4和X向锁定系统3在机构空间布置上互相交错，运动不会发生干涉。

(4)、升降锁定过程。参考图5说明本过程。

待目标物6被压缩至+X向舱壁1021和-Y向舱壁1024后，货舱1底部Z向升降平台5沿着+Z向往上运动，推动目标物6达到预设定力值，停止并保持推力状态。此时目标物6的固定状态有两种：第一种，Z向升降平台5达到预定力值，目标物6被固定在刚性杆202与Z向升降平台5之间；第二种，Z向升降平台5达到预定力值，不规则目标物6由钢丝绳拉紧，但未与顶部预置的刚性杆202接触。两种情况下，目标物6均能被限制三个方向的自由度，实现空间上的完全锁定。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (6)

1.一种基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统，其特征在于：包括顶盖展开系统(2)、X向锁定系统(3)、Y向锁定系统(4)和Z向升降平台(5)，所述顶盖展开系统(2)安装在货舱(1)的顶盖(103)上，用于控制顶盖(103)的锁定，所述X向锁定系统(3)安装在货舱(1)的X向舱壁上，用于控制X向舱壁的锁定，所述Y向锁定系统(4)货舱(1)的Y向舱壁上，用于控制Y向舱壁的锁定，所述Y向锁定系统安装在货舱(1)的Z向舱壁上，用于控制Z向舱壁的锁定；

所述货舱(1)包括舱底(101)、舱壁(102)和顶盖(103)，舱底(101)、舱壁(102)和顶盖(103)组成长方体空间，其中舱壁(102)包括+X向舱壁(1021)、-X向舱壁(1022)、+Y向舱壁(1023)和-Y向舱壁(1024)；

所述顶盖展开系统(2)包括运动轨道(201)、若干刚性杆(202)、柔性绳(203)和展开驱动电机(204)，运动轨道(201)沿Y向布置在+X向侧壁(1021)和-X向侧壁(1022)上，若干刚性杆(202)两端在运动轨道(201)内滑动，实现展开和收拢功能，若干刚性杆(202)相互平行，之间通过柔性绳(203)相连，展开驱动电机(204)安装在+X向侧壁(1021)和-X向侧壁(1022)的上端部，通过转动收卷柔性绳(203)，从而驱动刚性杆(202)从收缩状态运动展开；

所述X向锁定系统(3)包括多个X向滚珠丝杠(301)、多个X向滑块(302)、X向捆扎钢丝绳(303)和X向驱动装置，多个X向滚珠丝杠(301)相互平行，安装在+Y向侧壁(1023)和-Y向侧壁(1024)上，所述X向滑块(302)与X向滚珠丝杠(301)配合，每套X向滚珠丝杠(301)与X向滑块(302)的组合均由一套独立的X向驱动装置驱动；X向捆扎钢丝绳(303)用于连接分别安装在+Y向侧壁(1023)和-Y向侧壁(1024)上的两个X向滑块(302)；

所述Y向锁定系统(4)包括多个Y向滚珠丝杠(401)、多个Y向滑块(402)、Y向捆扎钢丝绳(403)和Y向驱动装置，多个Y向滚珠丝杠(401)相互平行，安装在+X向侧壁(1021)和-X向侧壁(1022)上，Y向滑块(402)与Y向滚珠丝杠(401)配合，每套Y向滚珠丝杠(401)与Y向滑块(402)的组合均由一套独立的Y向驱动装置驱动；Y向捆扎钢丝绳(403)用于连接分别安装在+X向侧壁(1021)和-X向侧壁(1022)上的两个Y向滑块(402)。

2.根据权利要求1所述的基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统，其特征在于：货舱(1)的顶盖(103)在目标物(6)投入时保持打开状态。

3.根据权利要求1所述的基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统，其特征在于：舱壁(102)均为实体结构，作为各个锁定系统的安装平面。

4.根据权利要求1所述的基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统，其特征在于：X向驱动装置和Y向驱动装置为能够实现连续运转的驱动装置。

5.根据权利要求1所述的基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统，其特征在于：所述Z向升降平台(5)初始状态平置在货舱(1)的舱底(101)上，通电后沿Z向上下运动。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于绳索的空间非合作目标舱内锁定系统的锁定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)、顶盖(103)的展开过程：

初始状态，刚性杆(202)并排地收缩在货舱(1)侧壁的容纳腔体内，避免影响目标物(6)的投入，展开驱动电机(204)将刚性杆(202)展平，保持一定的预紧拉力，此时将展开驱动电机(204)停止运动并抱死，同时借助刚性杆(202)的自锁设计，保持刚性杆(202)在滑动轨道内的最终状态，实现了Z向的封堵；

(2)、X向锁定过程：

X向驱动装置运转，X向滚珠丝杠(301)动作并带动X向滑块(302)沿着+X向运动，当X向滚珠丝杠(301)驱动扭矩达到一定预设值时，X向捆扎钢丝绳(303)与目标物(6)接触并将目标物(6)压到+X向舱壁(1021)上，X向驱动装置停止回转并借助电机抱闸抱死，保持对目标物(6)的预紧力；

(3)、Y向锁定过程：

Y向驱动装置运转，Y向滚珠丝杠(401)动作并带动Y向滑块(402)沿着-Y向运动，当Y向滚珠丝杠(401)驱动扭矩达到一定预设值时，Y向捆扎钢丝绳(403)与目标物(6)接触并将目标物(6)压到-Y向舱壁(1024)上，Y向驱动装置停止回转并借助电机抱闸抱死，保持对目标物(6)的预紧力；

(4)、升降锁定过程：

待目标物(6)被压缩至+X向舱壁(1021)和-Y向舱壁(1024)后，货舱(1)底部Z向升降平台(5)沿着+Z向往上运动，推动目标物(6)达到预设定力值，停止并保持推力状态；此时目标物(6)的固定状态有两种：第一种，Z向升降平台(5)达到预定力值，目标物(6)被固定在刚性杆(202)与Z向升降平台(5)之间；第二种，Z向升降平台(5)达到预定力值，不规则目标物(6)由钢丝绳拉紧，但未与顶部预置的刚性杆(202)接触，两种情况下，目标物(6)均能被限制三个方向的自由度，实现空间上的完全锁定。

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