CN114408227B - 一种用于航天器组的在轨低冲击对接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械手技术领域，尤其涉及一种程序控制机械手，并尤其涉及以部件结构为特征或以机械手元件定位装置为特征的电的程序控制机械手，还涉及一般的控制或调节系统且尤其涉及计算机控制系统，还涉及以定位的控制装置为特征的控制系统。本发明提出了一种对接系统及方法，该系统至少包括多自由度机械臂和触发式机械爪臂，所述方法至少包括：在两中央处理器进行彼此通信时，两中央处理器分别利用图像采集设备通过拍摄对方设备本体上机械爪臂所在处的舱体的图像；在两中央处理器进行数据传输共识了调整策略后，两中央处理器分别将调控指令下发至与之对应的多自由度机械臂；多自由度机械臂根据所述调控指令对捕获式机械爪臂的位姿进行调控。

Description

一种用于航天器组的在轨低冲击对接系统及方法

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，尤其涉及一种程序控制机械手，并尤其涉及以部件结构为特征或以机械手元件定位装置为特征的电的程序控制机械手，还涉及一般的控制或调节系统且尤其涉及计算机控制系统，还涉及以定位的控制装置为特征的控制系统，尤其涉及一种用于航天器组的在轨低冲击对接系统及方法。

背景技术

随着空间机器人技术的发展，机器人在轨服务预计将在未来修复故障航天器/航空器上发挥越来越重要的作用。在轨维修任务中，通常需要服务航天器/航空器利用机械臂对第一设备本体进行捕获对接，以形成稳定的组合体。例如，现有技术中如公开号为CN112847359A的专利文献也提出了一种针对大尺度故障航天器的多独立超冗余机械臂协同抓捕方法，包括：S100：对大尺度故障航天器进行结构分析；S200：根据超冗余机械臂的数量，筛选出相应数量的安全可抓捕特征，作为每个超冗余机械臂要实施抓捕的对象；S300：分配筛选出的安全可抓捕特征；S400：携带超冗余机械臂的航天器接近所对应的安全可抓捕特征，与对应的安全可抓捕特征的轨道运动同步；S500：分别规划每个超冗余机械臂的抓捕路径，实现对所对应的安全可抓捕特征的缠绕式抓捕；S600：将规划得到的每个超冗余机械臂的抓捕路径合在一起协同抓捕。该方法在具体的抓捕过程中，通过多个航天器的协同，可以实现对大尺度故障航天器的可靠抓捕。该专利文献仅提出了通过分析第一设备本体上的抓捕特征的方式来控制舱体外机械臂的动作的技术方案，而未公开具体实现抓捕的机械臂的结构以及抓取方法。

对此，现有技术中如公开号为CN111390872A的专利文献提出了一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作方法，解决机械臂通过封闭形式将本体拖拽至目标适配器位置完成本体适配器与目标适配器的对接操作问题，采用双臂交替主被动控制模式，即一条臂主动控制，另一条臂跟随控制，将另一条臂作为主动臂控制，之前的主动臂变为被动臂，左右臂交替进行主被动控制，通过这种方式实现形成形封闭和力封闭状态下的柔性拖曳及对接，该专利文献的方案为空间站舱外机器人提供一种双臂拖曳的新方案，实现有效对接。

上述技术方案所提出的机械臂需要较为精准地抓取到位于舱壁外的体积较小的目标适配器，抓取难度较高，并且要求其所提出的机械臂伸展开较长臂长进行抓取，为避免机械臂刚度过大而破坏第一设备本体，因此其配置了柔性较大的机械臂，在提高了对第一设备本体的保护的同时却降低了抓取可靠度，需要更长时间或更精确计算来实现抓取。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术中如公开号为CN111390872A的专利文献提出的一种舱外机器人双臂协同柔性拖拽与对接逆操作的技术方案，其所提出的机械臂需要较为精准地抓取到位于舱壁外的体积较小的目标适配器，抓取难度较高，并且要求其所提出的机械臂伸展开较长臂长进行抓取，为避免机械臂刚度过大而破坏第一设备本体，因此其配置了柔性较大的机械臂，在提高了对第一设备本体的保护的同时却降低了抓取可靠度，需要更长时间或更精确计算来实现抓取。

对此，本申请提出了一种用于航天器组的在轨低冲击对接系统。该系统包括多自由度机械臂和触发式机械爪臂。多自由度机械臂和触发式机械爪臂作为整体装置可下沉至设备舱体内，在需要使用时可将其伸出。多自由度机械臂具有在长度方向上以及周向上的自由度，可调控触发式机械爪臂的前伸、后退或旋转角度等位姿参数。在本系统中，将原设置在舱体两侧的机械臂设置在设备本体适配器所在位置，一方面利用智能机械爪所具有的较大的张闭范围来实现对目标的粗略定位，较大的张闭范围使智能机械爪不易触及到第一设备本体，以避免机械爪和机械臂只能被配置为会降低抓取可靠度的过度的柔性结构的问题，并同时利用多自由度机械臂的多自由度，使智能机械爪能够以目标位姿更好地进行捕获。另一方面本申请所提出的智能机械爪的抓取是通过控制其爪体的张闭的方式来实现对第一设备本体的捕获，继而通过多自由度机械臂的后退等操作可使第二设备本体与第一设备本体彼此靠拢，在对准姿态下实现两者的对接。

本申请还提出了一种用于航天器组的在轨低冲击对接方法，利用了上述用于航天器组的在轨低冲击对接系统，所述系统至少包括多自由度机械臂、触发式机械爪臂以及分设于两个设备本体上的两个中央处理器。所述方法包括至少一个以下步骤：在两中央处理器进行彼此通信时，两中央处理器分别利用图像采集设备通过拍摄对方设备本体上机械爪臂所在处的舱体的图像；图像采集设备对设备本体上的机械爪臂进行图像捕捉并生成对应的目标位姿数据；两中央处理器将各自得到的目标位姿数据进行数据传输，并根据该目标位姿，结合预设目标为位姿数据生成与捕获式机械爪臂和触发式机械爪臂所对应的调整策略；在两中央处理器进行数据传输共识了调整策略后，两中央处理器分别将调控指令下发至与之对应的多自由度机械臂；多自由度机械臂根据所述调控指令对捕获式机械爪臂的位姿进行调控。

该系统至少包括多自由度机械臂和触发式机械爪臂。触发式机械爪臂通过所述多自由度机械臂设于第一设备本体上且其具有一端呈开放状的捕获腔体。其中，多自由度机械臂响应于调控指令转换触发式机械爪臂的抓取姿态，所述捕获腔体具有分别沿触发式机械爪臂的周向连续延伸的且彼此在触发式机械爪臂两端的延伸方向上依次连接的第一定位面、第二定位面、第三定位面以及第四定位面。其中，第二定位面、第三定位面以及第四定位面共同形成所述锁口部。

根据一种优选实施方式，第四定位面为沿着第三定位面的外边沿朝向由第二定位面与第三定位面所共同包围形成的空间内部继续延伸而形成的弧形面。

根据一种优选实施方式，锁口部的内侧壁面上设置有热致发光部，触发式机械爪臂可响应于调控指令转换至加热状态而使得热致发光部响应于热环境转换得到光能以使得进入锁口部的部件能够通过设置光电传感器采集到由热致发光部所发出的光信号并将其转换为用以表征该部件所在位置的电信号。

根据一种优选实施方式，触发式机械爪臂还包括设于捕获腔体内部的安全防护爪臂，安全防护爪臂以其能够沿着抓取方向相对捕获腔体前后移动的方式定位在捕获腔体内，且其能够响应于对其施加的外力作用而沿着抓取方向逐渐退出捕获腔体。

根据一种优选实施方式，安全防护爪臂具有活动底座，以及绕活动底座的周向设置的若干防护板。若干防护板与活动底座相联动而能够在活动底座受到外力作用而发生相对位移时朝向靠近活动底座的中心轴线的方向移动。

根据一种优选实施方式，安全防护爪臂具有固定底座、第二支架以及一级阻尼伸缩杆。若干防护板以各自的一端转动连接在固定底座上的方式绕固定底座的周向间隔设置。第二支架的两端分别转动连接至防护板和活动底座上并使得防护板能够在固定底座与活动底座之间距离增加的情况下向内收拢至靠近固定底座的位置。

根据一种优选实施方式，所述系统还包括捕获式机械爪臂。捕获式机械爪臂通过所述多自由度机械臂设于第一设备本体舱体上且具有下底座以及绕下底座的周向依次布置的若干个捕获臂。若干捕获臂分别在第一外力作用下保持其与下底座之间所形成的第一夹角且各板体的自由端共同限制形成第一抓取姿态。

其中，第一外力作用可以是指两端分别固定在上底座与下底座上的弹簧的弹力作用。第一外力作用也可以是指两端分别固定在上底座与下底座上的且具有形状记忆效应的弹簧在较低温度下的定形作用。其中，第二外力作用可以是指在接入非持续电流而激发第一磁性部与第二磁性部产生的相斥作用力。第二外力作用也可以是指通过热传导而激发弹簧的形状记忆效应使其产生的变形作用，该变形作用下对捕获臂所造成的力作用的方向与限制捕获臂移动的力作用的方向相反。第二外力作用也可以是指通过热传导而激发弹簧的形状记忆效应使其产生的变形作用，与在接入非持续电流而激发第一磁性部与第二磁性部产生的相斥作用力相叠加所形成的力作用。借助于在该移动下其与捕获腔体之间的抵接关系实现捕获式机械爪臂对触发式机械爪臂的抓取，可以是指具有形状记忆效应的捕获臂与处于加热状态下的捕获腔体相抵接而激发捕获臂发生变形，使得变形后的捕获臂能够捕获捕获腔体或被捕获腔体所捕获。

本申请所提出的系统对捕获式机械爪臂与定向头的结构进行改进，使其能够通过接入时间较短的非连续电流产生磁力作用，即可引导捕获式机械爪臂与触发式机械爪臂间的抓取或捕获，磁场作用小且作用时间短，有利于维护航天器上对磁场变化敏感的如天线阵子等部件的正常运作，并且其捕获式机械爪臂与触发式机械爪臂间的连接关系并不依赖于通电产生的磁力作用，能够有效地避免磁力作用所造成的连接冲击。

根据一种优选实施方式，多自由度机械臂响应于调控指令转换捕获式机械爪臂的抓取姿态，捕获式机械爪臂响应于调控指令通过接入非持续电流和/或使第一外力作用反向的方式对捕获臂施加第二外力作用，受到第二外力作用的若干捕获臂由第一抓取姿态转换至第二抓取姿态。

根据一种优选实施方式，在处于第一抓取姿态下的捕获式机械爪臂中，自由板体的自由端朝向靠近下底座所在的方向弯曲而使得若干自由板体共同形成捕获式机械爪臂的抓取端面。

本申请还提出了一种用于航天器组的在轨低冲击对接方法。该方法利用了上述用于航天器组的在轨低冲击对接系统。所述系统至少包括多自由度机械臂。所述系统至少包括触发式机械爪臂。触发式机械爪臂通过所述多自由度机械臂设于第一设备本体上且其具有一端呈开放状的捕获腔体其中，多自由度机械臂响应于调控指令转换触发式机械爪臂的抓取姿态，所述捕获腔体具有分别沿触发式机械爪臂的周向连续延伸的且彼此在触发式机械爪臂两端的延伸方向上依次连接的第一定位面、第二定位面、第三定位面以及第四定位面，其中，第二定位面、第三定位面以及第四定位面共同形成所述锁口部。

所述方法包括至少一个以下步骤：多自由度机械臂能够通过调整自身各关节状态改变触发式机械爪臂的位姿；利用图像采集设备通过拍摄第二设备本体上捕获式机械爪臂所在处的舱体的图像；对第二设备本体上的捕获式机械爪臂进行图像捕捉；图像识别处理得到捕获式机械爪臂的目标位姿，并将根据该目标位姿生成的调控指令传输至多自由度机械臂；多自由度机械臂根据所述调控指令对触发式机械爪臂的位姿进行调控。

本申请还提出了一种用于航天器组的在轨低冲击对接方法。该方法利用了上述用于航天器组的在轨低冲击对接系统。所述系统至少包括多自由度机械臂。所述系统至少包括触发式机械爪臂。触发式机械爪臂通过所述多自由度机械臂设于第一设备本体上且其具有一端呈开放状的捕获腔体其中，多自由度机械臂响应于调控指令转换触发式机械爪臂的抓取姿态，所述捕获腔体具有分别沿触发式机械爪臂的周向连续延伸的且彼此在触发式机械爪臂两端的延伸方向上依次连接的第一定位面、第二定位面、第三定位面以及第四定位面，其中，第二定位面、第三定位面以及第四定位面共同形成所述锁口部。

所述方法至少包括：在锁口部的内侧壁面上设置热致发光部；触发式机械爪臂响应于调控指令转换至加热状态；热致发光部响应于热环境转换得到光能以使得进入锁口部的部件能够通过设置光电传感器采集到由热致发光部所发出的光信号并将其转换为用以表征该部件所在位置的电信号。

本申请还提出了用于上述在轨低冲击对接系统的对接方法，包括至少一个以下步骤：追踪对接端以对准或非对准的方式通过目标对接端的目标对接腔；追踪对接端的连接端可被非持续电流所激发而由第一对接姿态转换至第二对接姿态；在目标对接端处于加热状态的条件下进入目标对接腔的连接端以其抵接至目标对接腔的内壁的方式被导热所激发而沿着目标对接腔的内壁形状发生形变；追踪对接端由第二对接姿态转换至被目标对接端捕获而限制其相对位移的第三对接姿态；追踪航天器可基于追踪对接端与目标对接端之间的交互过程调节其航姿以使第一本体适配器与第二本体适配器完成对接。

根据一种优选实施方式，所述方法还包括：在对接前，若干个连接臂相对第一连接座所形成的角度被限制在第一夹角内而形成追踪对接端的第一对接姿态；在对接时，若干个连接臂能够在外力作用下相对第一连接座转动而使其相对第一连接座所形成的角度至少能够增大至可与目标对接端的目标对接腔相抵接的第二夹角，以此追踪对接端转换至第二对接姿态。

附图说明

图1是本发明提供的机械爪臂的简化结构示意图；

图2是本发明提供的安全防护爪臂的简化结构示意图；

图3是本发明提供的系统的简化模块连接关系示意图。

附图标记列表

1：捕获式机械爪臂；2：触发式机械爪臂；3：捕获腔体；4：上底座；5：捕获臂；6：第一端部；7：下底座；8：第一支架；9：弹簧；10：第一磁性部；11：第二磁性部；12：导向杆；13：锁口部；14：自由板体；15：安全防护爪臂；16：活动底座；17：防护板；18：固定底座；19：第二支架；20：一级阻尼伸缩杆；21：二级阻尼伸缩杆；22：光电传感器；23：热致发光部；24：中央处理器；25：多自由度机械臂。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

本申请所提出的用于设备本体组的在轨低冲击对接系统，至少包括捕获式机械爪臂1和/或触发式机械爪臂2。航天器的舱壁上可同时或单独设置有捕获式机械爪臂1和触发式机械爪臂2。同时设置的捕获式机械爪臂1和触发式机械爪臂2可设置在舱体上不同位置上。

捕获式机械爪臂1可以是设置在用于实现航天器对接的第一本体适配器的内部，触发式机械爪臂2可以是设置在用于与第一本体适配器对接的第二本体适配器的内部。捕获式机械爪臂1与触发式机械爪臂2可以在调控指令下交替式地主动对彼此进行抓取或捕获。此处交替式可以是指在其中一机械爪臂动作后，触发另一机械爪臂进行相应动作的包含有交替动作的过程。该系统至少包括中央处理器24，用以处理数据以及下发调控指令。第二设备本体以及第一设备本体中分别设置有中央处理器24，在第二设备本体与第一设备本体间达到一定距离时，两中央处理器24可进行彼此通信，以协调操控机械臂和/或本体适配器。

如下以第二设备本体包括捕获式机械爪臂1和/或第一本体适配器，第一设备本体包括触发式机械爪臂2和/或第二本体适配器的情况进行说明。捕获式机械爪臂1和触发式机械爪臂2分别通过多自由度机械臂25定位至各自对应的设备本体上。

在两中央处理器24进行彼此通信时，两中央处理器24分别利用图像采集设备通过拍摄对方设备本体上机械爪臂所在处的舱体的图像。图像采集设备对设备本体上的机械爪臂进行图像捕捉并生成对应的目标位姿数据。两中央处理器24将各自得到的目标位姿数据进行数据传输，并根据该目标位姿，结合预设目标为位姿数据生成与捕获式机械爪臂1和触发式机械爪臂2所对应的调整策略。该调整策略是以捕获式机械爪臂1的位姿调节量和触发式机械爪臂2的位姿调节量之和最小为约束条件所确定得到的，调整策略中至少包括用以指示捕获式机械爪臂1和触发式机械爪臂2的位姿调节量的调控数据。在两中央处理器24进行数据传输共识了调整策略后，两中央处理器24分别将调控指令下发至与之对应的多自由度机械臂25。在两中央处理器24的调整策略相同时，即达成共识；在两者调整策略不同时，加入以两设备本体中重量较大者所对应的位姿调节量更小的判断条件，择其具有更小的两设备本体中重量较大者所对应的位姿调节量的调整策略，将判断结果进行数据传输，即达成共识。多自由度机械臂25根据所述调控指令对捕获式机械爪臂的位姿进行调控。

触发式机械爪臂2具有一端呈开放状的且该端部允许捕获式机械爪臂1以对准或非对准的方式通过的捕获腔体3。

在进行抓取时，捕获式机械爪臂1的第一端部6可被非持续电流所激发而由第一抓取姿态转换至具有相对于第一抓取姿态更大的抓取端面的第二抓取姿态。在触发式机械爪臂2处于加热状态的条件下进入捕获腔体3的第一端部6以其抵接至捕获腔体3的内壁的方式被导热所激发而沿着捕获腔体3的内壁形状发生形变。捕获式机械爪臂1由第二抓取姿态转换至被触发式机械爪臂2捕获而限制其相对位移的第三抓取姿态。

优选地，第二设备本体还包括第一本体适配器，第一设备本体还包括第二本体适配器。第一本体适配器能够与第二本体适配器进行连接以保障设备本体组连接后的相对固定。捕获式机械爪臂1设于第二本体适配器的中间位置且向外凸出于第一本体适配器，以使得捕获式机械爪臂1先于第一本体适配器与触发式机械爪臂2进行连接，降低第一本体适配器与第二本体适配器之间的连接冲击。同样地，触发式机械爪臂2向外凸出于第二本体适配器。

为实现第一抓取姿态至第二抓取姿态的转换，捕获式机械爪臂1具有上底座4以及沿上底座4的周向彼此间隔地设置的若干个捕获臂5。若干个捕获臂5各自分别能够相对上底座4转动。在进行抓取前若干个捕获臂5相对上底座4所形成的角度被限制在第一夹角内。此时处于第一抓取姿态。在进行抓取时若干个捕获臂5能够在外力作用下被驱动着相对上底座4转动而使其相对上底座4所形成的角度至少能够增大至可与触发式机械爪臂2的捕获腔体3相抵接的第二夹角，以此第一端部6转换至第二抓取姿态。在该设置下，捕获式机械爪臂1以较小的抓取端面来进入触发式机械爪臂2。

为实现进行抓取前的稳定，捕获式机械爪臂1的第一端部6具有形成于由若干捕获臂5所包围构成的空间中的下底座7以及两端分别连接在上底座4与下底座7上的弹簧9。下底座7的周向上设置有分别与不同捕获臂5所对应的第一支架8。弹簧9以其被压缩的方式分别对上底座4与下底座7施加使两者朝向远离彼此的方向移动的压力作用。第一支架8的两端分别转动连接在下底座7和捕获臂5上而使得下底座7与上底座4之间的距离变化将引起捕获臂5相对上底座4所形成的角度的变化。在该设置下，在进行抓取前，弹簧9的弹力作用使若干捕获臂5保持在彼此靠拢的姿态下，确保捕获式机械爪臂1以较小的抓取端面来进入触发式机械爪臂2。

为实现抓取姿态的转换，捕获式机械爪臂1的第一端部6具有形成于下底座7上的第一磁性部10以及形成于各捕获臂5上的多个第二磁性部11。在捕获式机械爪臂响应于调控指令而对第一磁性部10通电时，第一磁性部10将产生与第二磁性部11相反的磁性，使得原本通过弹簧9保持在第一抓取姿态下的若干捕获臂5受到磁力排斥作用而分别朝向远离下底座7的方向或朝向增大其与上底座4之间的夹角的方向移动。本申请中所提及的非持续电流可以是指给第一磁性部10通的瞬时电流或短时电流。瞬时或短时的电磁效应对天线运作的影响小。优选地，第二磁性部11设置在捕获臂5上面向下底座7所在空间的板面上。一方面使得第二磁性部11更加靠近第一磁性部10，获得的磁力排斥作用较大，另一方面第二磁性部11不会影响到捕获臂5与捕获腔体3内壁之间的抵接。

优选地，第一支架8的两端分别转动连接至捕获臂5的内侧端面以及下底座7。第一支架8上连接至捕获臂5的一端相对其连接至下底座7的另一端更靠近上底座4。优选地，捕获式机械爪臂1具有用于引导弹簧9的导向杆12。

优选地，导向杆12的一端固定在下底座7上，其另一端贯穿出下底座4而通过多自由度机械臂25固定在第二设备本体上。导向杆12的延伸方向为其杆体的延伸方向。该多自由度机械臂25可以将导向杆12移动至需要进行抓取的位置，或是实时地根据待捕获目标的位置来调整导向杆12的伸出长度、空间位置和/或旋转角度中的一个或几个运动参数。

作为另一种优选实施方式，导向杆12的一端固定在下底座7上，其另一端贯穿出上底座4而固定在第二设备本体上。导向杆12的延伸方向为第二设备本体的抓取方向。弹簧9可沿着导向杆12带动进行上底座4进行移动。

为实现第二抓取姿态至第三抓取姿态的转换，所述捕获腔体3的呈开放状的自由端朝向捕获腔体3的内壁向内翻转形成锁口部13。捕获臂5具有朝向远离上底座4的方向延伸所形成的且具有形状记忆效应的自由板体14。自由板体14以捕获臂5转换至第二抓取姿态而抵接至处于加热状态下的捕获腔体3的方式沿着锁口部13向内翻转而形成与锁口部13相配合的第三抓取姿态。

优选地，该自由板体14具有形状记忆效应。优选地，该自由板体14具有单程形状记忆效应，在相对较低的温度下，自由板体14的形状相对固定。在相对较高的温度下，自由板体14主动弯曲变形。优选地，该自由板体14具有双程形状记忆效应。

优选地，在进行抓取前，自由板体14的自由端朝向导向杆12所在的中心轴线弯曲而使得若干自由板体14共同形成抓取端面更小的花苞式结构。以使捕获式机械爪臂1能够更快速地进入触发式机械爪臂2。

优选地，为使捕获式机械爪臂1能够反复抓取使用，弹簧9具有响应于温度驱动的形状记忆效应，尤其可以是响应于温度驱动的双程形状记忆效应。在相对较低温度下弹簧9为拉伸状态，在相对较高的温度下弹簧9为压缩状态。在双程形状记忆效应下，在从相对较高温度降低至相对较低温度的过程中，弹簧9主动从压缩状态转换为拉伸状态；反之，弹簧9主动从拉伸状态转换为压缩状态。优选地，可选用响应温度较低的弹簧9。在捕获式机械爪臂1的第一端部6进入捕获腔体3时，在触发式机械爪臂2处于加热状态的条件下，弹簧9能够在捕获腔体3的热传导下启动其形状记忆效应而朝向压缩状态进行转换，使得捕获臂5可以自由转动。在触发式机械爪臂2降温或第一端部6从捕获腔体3中撤出的情况下，弹簧9能够在相对较低的热传导温度下启动其形状记忆效应而朝向拉伸状态进行转换，使得捕获臂5被收拢至第一抓取姿态。

优选地，在捕获式机械爪臂1由第一抓取姿态转换至第二抓取姿态时，可借助于若干捕获臂5在解除角度限制后以一定速度移动并抵接至捕获腔体3的过程中形成于捕获臂5与捕获腔体3之间的低冲击作用，使得设备本体组能够由非对准姿态转换至对准姿态。

优选地，捕获臂5上与上底座4相连的一端设置有用以检测捕获臂5相对上底座4所形成的夹角的传感器。在设备本体组或对接设备组处于非对准姿态的情况下，或在捕获式机械爪臂1与触发式机械爪臂2处于非对准姿态的情况下，和/或在捕获式机械爪臂1的捕获臂5被解除其在触发式机械爪臂2的捕获腔体3内的角度限制时，多自由度机械臂25可基于若干传感器所检测到的传感数据以及预设的阈值范围来进行姿态调整。在若干传感器所检测到的传感数据均处于预设阈值范围内时，结束姿态调整。预设阈值范围可以是多自由度机械臂25根据图像采集设备对触发式机械爪臂2进行图像采集识别所得到的图像数据所处理得到的。根据该图像数据中可以确定到触发式机械爪臂2与捕获式机械爪臂1之间的当前相对位置关系，结合对准姿态所对应的相对位置关系，即可确定得到用进行姿态调整的预设阈值范围。图像采集设备可以是设置在舱体外壁上，或设置在下底座7内，或设置在第一本体适配器或第二本体适配器上。传感器可以是角度传感器或力传感器。捕获式机械爪臂第二设备本体第二设备本体由于自由板体14的形状记忆效应，自由板体14按照既定的形状进行变形，使其能够以主动调整至对准姿态的方式来与锁口部13抵接。

优选地，捕获式机械爪臂1上与第一端部6相对的第二端部固定在第二设备本体上，第一本体适配器以其不限制捕获式机械爪臂1的姿态转换但能够随着捕获式机械爪臂1的转动而相对转动的方式与捕获式机械爪臂1相联动，以使得在通过捕获式机械爪臂1获取到捕获式机械爪臂1与触发式机械爪臂2之间的相对位置关系时，第一本体适配器能够基于所述相对位置关系与捕获式机械爪臂1一起相对触发式机械爪臂2转动，并在其转动至与第二本体适配器之间满足预设相对位置关系的情况下第一本体适配器定向移动以使其对接至第二本体适配器。在该设置下，尤其是针对第一本体适配器与第二本体适配器之间需要在一定的相对位置关系下才能完全对接的情况，现有技术中通常采用硬对接，即依靠于对接时的强冲击力使第一本体适配器以具有一定角度偏差的方式对接至第二本体适配器，在冲击力下相对第二本体适配器发生抖动而修正该偏差角度。该对接方式下的冲击力大，不仅会引起航天器姿态发生大的变化，而且在航天器的某些接触部位还会产生较大的撞击载荷和局部变形，载荷太大会导致结构破坏，变形太大或发生塑性变形将导致机构无法分离。对此，本申请所提出的系统采用柔性捕获，通过捕获臂5变形来与锁口部13进行捕获及抓取的方式，由于锁口部13向内翻转而使得随之变形的捕获臂5能够在抓取方向上的前后位移上被限制，一方面缓冲了冲击作用，另一方面为设备本体组的对接提供了辅助作用。

优选地，自由板体14的自由端设置有光电传感器22。锁口部13的内侧壁面上设置有热致发光部23。在触发式机械爪臂2受热而处于加热状态时，位于锁口部13内的热致发光部23将其受热转换为光能以使得沿着锁口部13的翻转方向向内延伸的自由板体14的自由端能够通过光电传感器22采集到由热致发光部23所发出的光信号并将其转换为用以表征自由板体14所在位置的电信号。优选地，通过布置位于锁口部13内的热致发光部23而使得锁口部13内部在沿着捕获式机械爪臂1的周向上具有变化的发光强度。优选地，可通过调控热致发光部23的厚度、数量或选用具有不同发光强度的热致发光部23的方法来布置锁口部13内的热致发光部23。优选地，为提高光电传感器22对发光强度的敏感度，锁口部13内部在沿着捕获式机械爪臂1的周向上具有周期性变化的发光强度。周期性变化区别于连续性变化，可以在单个周期内加大发光强度的变化，也就使得光电传感器22能够更加敏感其所在位置。针对既定的周期性变化的发光强度，可按照其能够指引锁口部13内侧位置的方式布置热致发光部23。

优选地，多自由度机械臂25或第一本体适配器可通过将由若干光电传感器22所采集到的光电信号与预设的发光强度布置进行比对以确定其与第二本体适配器之间的相对位姿误差。多自由度机械臂25第一本体适配器可基于该相对位姿误差进行相对转动或位姿调整，以使第一本体适配器能够以预设的位姿沿着抓取方向准确对接至第二本体适配器。优选地，由于第一设备本体和第二设备本体均设置有多自由度机械臂25。以两个多自由度机械臂25的位姿调节量最小为约束条件，确定各多自由度机械臂25所分别对应的位姿调节量。两个多自由度机械臂25同时进行位姿调整以更快实现目标位姿。现有技术中通常采用环式的间隔重复结构进行对接，此类结构不要求必须在360°上完全对接，通常只是在其结构重复的间隔所对应的角度上要求准确对接，即两者间只需转动小幅角度即可实现头-槽式对接。在本申请中，可使得需要对接的两者在进行抓取前就进行相对转动，消除两者间的小幅的相对位姿误差，从而对接过程顺利，有利于进一步降低对接冲击。

优选地，触发式机械爪臂2具有分别沿触发式机械爪臂2的周向连续延伸的且彼此在触发式机械爪臂2两端的延伸方向上依次连接的第一定位面、第二定位面、第三定位面以及第四定位面。第一定位面自触发式机械爪臂2上锁口部13所在的端部至触发式机械爪臂2的另一端延伸且具有逐渐收窄趋势。第二定位面为沿着第一定位面上靠近锁口部13的一侧以朝向捕获腔体3内部的方式向内翻转而形成的弧形面。第二定位面的弧长所对应的角度小于360°。第三定位面为沿着第二定位面的外边沿朝向靠近第一定位面的方向继续延伸而形成的端面。第三定位面的外边沿距离第一定位面相距一定距离。第三定位面可以为平面或弧形面。第四定位面为沿着第三定位面的外边沿朝向由第二定位面与第三定位面所共同包围形成的空间内部继续延伸而形成的弧形面。第四定位面和/或第三定位面用以与进入捕获腔体3的捕获臂5的外壁相抵接。触发式机械爪臂2上至少包括第三定位面与第四定位面的结构为导热材料。第二定位面、第三定位面以及第四定位面共同形成所述锁口部13。

优选地，为保障捕获式机械爪臂1在展开后更好地抵接至锁口部13进行导热。第二定位面上靠近捕获腔体的侧面设置有弹性部。在进入捕获腔体3的捕获臂5展开时自由板体14朝向第二定位面移动并抵接至弹性部上。使得弹性部受到压力作用而变形至与自由板体14相贴合的形状。优选地，弹性部为导热材料。

优选地，在完成任务后，撤去触发式机械爪臂2的温度以使得捕获式机械爪臂1保持在第三抓取姿态下。优选地，自由板体14具有双程形状记忆效应，在完成第一本体适配器与第二本体适配器对接后，撤去触发式机械爪臂2的温度以使得捕获式机械爪臂1以恢复进行抓取前的第一抓取姿态的方式向外退出锁口部13。

优选地，第一设备本体还具有设于捕获腔体3内部的安全防护爪臂15。安全防护爪臂15以其能够沿着抓取方向相对第一设备本体前后移动的方式定位在第一设备本体上。并且在当捕获式机械爪臂1朝向触发式机械爪臂2进入捕获腔体3时能够与捕获式机械爪臂1相抵接的位置处。从而使其响应于捕获式机械爪臂1对其施加的推力作用而沿着抓取方向逐渐退出捕获腔体3以减缓捕获式机械爪臂1的冲击作用。

优选地，在进行抓取前，自由板体14具有彼此连续延伸所形成的第一板体以及形成自由板体14的自由端的第二板体。第一板体朝向靠近导向杆12所在的中心轴线的方向弯曲，第二板体沿着第一板体连续延伸且偏离中心轴线而朝向远离导向杆12所在的中心轴线的方向弯曲。在该设置下，若干自由板体14共同形成具有较小抓取端面且抓取端面呈曲面的花苞式结构。抓取端面呈曲面而使得捕获式机械爪臂1具有一定的捕获柔性。当捕获式机械爪臂1的抓取端面抵接至安全防护爪臂15时，能够有效地减缓其冲击，同时保护捕获式机械爪臂1与安全防护爪臂15的结构不受破坏。此外，在进行抓取前就使自由板体14具有一定的向外翻转的结构趋势，能够更好地引导其与锁口部13进行交互。

优选地，导向杆12是以其能够相对第二设备本体沿着抓取方向前后移动的方式定位在第二设备本体上。在第一本体适配器与第二本体适配器对接稳定后，捕获式机械爪臂1与触发式机械爪臂2彼此能够脱离连接。

优选地，安全防护爪臂15具有活动底座16以及绕活动底座16的周向设置的若干防护板17，若干防护板17与活动底座16相联动而能够在活动底座16受到捕获式机械爪臂1的推力作用而发生相对位移时朝向靠近活动底座16的中心轴线的方向移动，使得若干防护板17能够以其抵接至捕获式机械爪臂1外壁上的方式将捕获式机械爪臂1的移动方向引导至其与触发式机械爪臂2相对准的抓取方向。

优选地，安全防护爪臂15具有固定底座18、第二支架19以及一级阻尼伸缩杆20。若干防护板17以各自的一端转动连接在固定底座18上的方式绕固定底座18的周向间隔设置。第二支架19的两端分别转动连接至防护板17和活动底座16上并使得防护板17能够在固定底座18与活动底座16之间距离增加的情况下向内收拢至靠近固定底座18的位置。

优选地，第二支架19上与活动底座16相连的一端相比于其另一端更靠近固定底座18。从而使得防护板17具有延伸超出活动底座16的部分板体。防护板17能够更好地抵接至捕获式机械爪臂1的外壁。

优选地，第二支架19上与防护板17相连的一端相比于其另一端更靠近固定底座18。从而使得活动底座16具有更长的移动范围，能够起到更好的缓冲效果。

优选地，固定底座18与活动底座16之间通过一级阻尼伸缩杆20的伸缩调节两者间的距离。一级阻尼伸缩杆20的两端分别连接在固定底座18和活动底座16上。通过设计一级阻尼伸缩杆20的阻尼强度或阻尼强度变化，使安全防护爪臂15可以提供不同大小的缓冲作用。

优选地，在进行抓取前，若干防护板17与固定底座18间形成的夹角较大而足以接收捕获式机械爪臂1。在进行抓取时，捕获式机械爪臂1抵推活动底座16使其向后压缩一级阻尼伸缩杆20。优选地，安全防护爪臂15通过二级阻尼伸缩杆21定位在第一设备本体上。二级阻尼伸缩杆21的两端分别连接至固定底座18和第一设备本体。进一步优选地，在安全防护爪臂15受到外力作用时，可通过压缩二级阻尼伸缩杆21的方式对外力作用进行缓冲。进一步优选地，第一设备本体可调控二级阻尼伸缩杆21使其主动伸缩，以将安全防护爪臂15从捕获式机械爪臂1上撤离，使得捕获式机械爪臂1暴露在捕获腔体3内且其可展开捕获臂5以抵接至处于加热状态下的触发式机械爪臂2。

优选地，捕获式机械爪臂1以其被安全防护爪臂15包围的方式向内进入捕获腔体3以使得捕获式机械爪臂1与处于加热状态下的触发式机械爪臂2之间间隔有安全防护爪臂15。在对安全防护爪臂15施加外力作用而使其撤离捕获式机械爪臂1时，捕获式机械爪臂1对安全防护爪臂15的上底座4所施加的推力作用撤除而使得安全防护爪臂15的若干防护板17向外展开。捕获式机械爪臂1能够以展开捕获臂5的方式转换至第三抓取姿态。

优选地，若干防护板17可以为热绝缘材料，以避免捕获式机械爪臂1进入捕获腔体3后捕获臂5直接接触锁口部13而受到温度变化影响过早发生形变。同时也避免了部分捕获臂5先受热弯曲而导致捕获式机械爪臂1无法与触发式机械爪臂2实现抓取或捕获。

优选地，捕获式机械爪臂1可以是在被安全防护爪臂15捕获后进行捕获臂5的展开。捕获式机械爪臂1也可以是在被安全防护爪臂15释放后进行捕获臂5的展开。

优选地，触发式机械爪臂2具有自锁口部13所在的端部至另一端延伸的具有逐渐收窄趋势的壁面，从而使得通过触发式机械爪臂2的端部向后推出捕获腔体3的安全防护爪臂15能够在触发式机械爪臂2上逐渐收窄的壁面的限制下而被迫驱使防护板17向内收拢。在任务结束后，或捕获式机械爪臂1退出触发式机械爪臂2后，第一设备本体可通过调控一级阻尼伸缩杆20使其阻尼增大以相对固定住处于收拢姿态下的若干防护板17，并驱使二级阻尼伸缩杆21伸长使安全防护爪臂15朝向锁口部13所在端部移动。在防护板17移动至其与锁口部13旁侧或延伸出锁口部13所在端部的情况下调控一级阻尼伸缩杆20使其阻尼减小以使得若干防护板17能够分别朝向锁口部13展开。在该设置下，单次抓取或捕获过程不会破坏触发式机械爪臂2和安全防护爪臂15的结构，并且安全防护爪臂15可以恢复至进行抓取前的姿态，以利于实现反复抓取。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

Claims (8)

1.一种用于航天器组的在轨低冲击对接系统，其特征在于，至少包括：

多自由度机械臂（25）；以及

触发式机械爪臂（2），其通过所述多自由度机械臂（25）设于第一设备本体上且其具有一端呈开放状的捕获腔体（3），

其中，多自由度机械臂（25）响应于调控指令转换触发式机械爪臂（2）的抓取姿态，所述捕获腔体（3）具有分别沿触发式机械爪臂（2）的周向连续延伸的且彼此在触发式机械爪臂（2）两端的延伸方向上依次连接的第一定位面、第二定位面、第三定位面以及第四定位面，其中，第二定位面、第三定位面以及第四定位面共同形成锁口部（13），

第四定位面为沿着第三定位面的外边沿朝向由第二定位面与第三定位面所共同包围形成的空间内部继续延伸而形成的弧形面；

所述系统还包括捕获式机械爪臂（1），其通过所述多自由度机械臂（25）设于第二设备本体舱体上，捕获式机械爪臂（1）具有上底座（4）以及沿上底座（4）的周向彼此间隔地设置且各自分别能够相对上底座（4）转动的若干个捕获臂（5），捕获臂（5）具有朝向远离上底座（4）的方向延伸所形成的且具有形状记忆效应的自由板体（14），自由板体（14）以捕获臂（5）抵接至处于加热状态下的捕获腔体（3）的方式沿着锁口部（13）向内翻转而形成与锁口部（13）相配合的抓取姿态。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，锁口部（13）的内侧壁面上设置有热致发光部（23），触发式机械爪臂（2）可响应于调控指令转换至加热状态而使得热致发光部（23）响应于热环境转换得到光能以使得进入锁口部（13）的部件能够通过设置光电传感器（22）采集到由热致发光部（23）所发出的光信号并将其转换为用以表征该部件所在位置的电信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，触发式机械爪臂（2）还包括设于捕获腔体（3）内部的安全防护爪臂（15），安全防护爪臂（15）以其能够沿着抓取方向相对捕获腔体（3）前后移动的方式定位在捕获腔体（3）内，且其能够响应于对其施加的外力作用而沿着抓取方向逐渐退出捕获腔体（3）。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，安全防护爪臂（15）具有活动底座（16），以及绕活动底座（16）的周向设置的若干防护板（17），若干防护板（17）与活动底座（16）相联动而能够在活动底座（16）受到外力作用而发生相对位移时朝向靠近活动底座（16）的中心轴线的方向移动。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，安全防护爪臂（15）具有固定底座（18）、第二支架（19）以及一级阻尼伸缩杆（20），若干防护板（17）以各自的一端转动连接在固定底座（18）上的方式绕固定底座（18）的周向间隔设置，第二支架（19）的两端分别转动连接至防护板（17）和活动底座（16）上并使得防护板（17）能够在固定底座（18）与活动底座（16）之间距离增加的情况下向内收拢至靠近固定底座（18）的位置。

6.一种用于航天器组的在轨低冲击对接方法，其特征在于，利用了权利要求1～5任一项所述的用于航天器组的在轨低冲击对接系统，

所述方法包括以下步骤：

多自由度机械臂（25）能够通过调整自身各关节状态改变触发式机械爪臂的位姿；

利用图像采集设备通过拍摄第二设备本体上捕获式机械爪臂所在处的舱体的图像；

对第二设备本体上的捕获式机械爪臂进行图像捕捉；

图像识别处理得到捕获式机械爪臂的目标位姿，并将根据该目标位姿生成的调控指令传输至多自由度机械臂（25）；

多自由度机械臂（25）根据所述调控指令对触发式机械爪臂的位姿进行调控。

7.一种用于航天器组的在轨低冲击对接方法，其特征在于，利用了权利要求1～5任一项所述的用于航天器组的在轨低冲击对接系统，所述方法包括：

在锁口部（13）的内侧壁面上设置热致发光部（23）；

触发式机械爪臂（2）响应于调控指令转换至加热状态；

热致发光部（23）响应于热环境转换得到光能以使得进入锁口部（13）的部件能够通过设置光电传感器（22）采集到由热致发光部（23）所发出的光信号并将其转换为用以表征该部件所在位置的电信号。

8.一种用于航天器组的在轨低冲击对接方法，其特征在于，利用了权利要求1～5任一项所述的用于航天器组的在轨低冲击对接系统，所述系统包括：

分设于两个设备本体上的两个中央处理器（24），

所述方法包括以下步骤：

在两中央处理器（24）进行彼此通信时，两中央处理器（24）分别利用图像采集设备通过拍摄对方设备本体上机械爪臂所在处的舱体的图像；

图像采集设备对设备本体上的机械爪臂进行图像捕捉并生成对应的目标位姿数据；

两中央处理器（24）将各自得到的目标位姿数据进行数据传输，并根据该目标位姿，结合预设目标为位姿数据生成与捕获式机械爪臂和触发式机械爪臂所对应的调整策略；

在两中央处理器（24）进行数据传输共识了调整策略后，两中央处理器（24）分别将调控指令下发至与之对应的多自由度机械臂（25）；

多自由度机械臂（25）根据所述调控指令对捕获式机械爪臂的位姿进行调控。