CN114955021A - 一种仿章鱼触手空间抓捕机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿章鱼触手空间抓捕机构，所述机构包括：与卫星平台上搭载的控制器连接的柔性臂，与柔性臂连接的抓捕姿态调整装置和刚柔耦合触手，与抓捕姿态调整装置连接的减振弹性气垫；所述刚柔耦合触手分布在所述减振弹性气垫的周围；所述抓捕姿态调整装置用于驱动所述减振弹性气垫转动，以模拟章鱼触手抓捕过程中的旋转动作；所述刚柔耦合触手能够向减振弹性气垫的中心收拢，以模拟章鱼触手抓捕过程中的抓捕动作。本发明通过设置模拟章鱼抓捕动作的结构，可适用于不同形状和体积的目标的抓捕。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术领域，特别是涉及一种仿章鱼触手空间抓捕机构。
背景技术
在航天领域，空间机器人在空间任务中扮演了越来越重要的角色。利用空间机器人实施空间设备维修，模块更换，加注燃料和清除空间碎片等在轨服务是未来的发展趋势。由于在轨服务需要建立在捕获服务对象的基础之上，因此抓捕机构是空间机器人执行在轨服务任务的重要部分。
抓捕机构的设计需要与被抓捕目标的特征相匹配，在空间中，目标可以大致分为两类，第一类是设计了专用被抓持机构的目标，这类目标一般为合作目标；第二类是并没有设计专门被抓持机构的目标，这类目标可以是合作目标，也可以是非合作目标，大多数在轨飞行目标属于这类目标。
针对第一类目标，现有的抓捕机构有ROTEX手爪，抓捕目标为桁架；日本的ETS-VII项目中，NASDA研制的半灵巧三指手爪，以及哈尔滨工业大学研制的TS-4卫星空间机械臂上的抓捕机构，抓捕目标都为特定的圆柱形把手；美国OE计划中抓捕机构为三个抓手，抓捕目标为卫星对接配适器。这些空间抓捕机构都是针对特定的把手或者对接器而设计的，只能抓捕一种目标，适用性不强。
针对第二类目标，即没有特定的被抓持机构，尤其是非合作目标。但是大多数在轨飞行器上都包含星箭对接环，分离螺栓，远地点发动机喷管，太阳帆板支架和太阳帆板等常见结构，这些结构的形状在国际上都比较统一，并且有足够的强度承受抓捕力。可以将这些常见结构作为抓捕目标点。现有的针对第二类目标的抓捕机构有欧空局ESS项目中抓捕远地点发动机喷管的改锥型抓捕机构。美国FREND项目的螺栓抓取器。这两种抓捕机构的共同特点是小巧简便，但是同样只能抓捕喷管这类目标，并且对抓捕控制精度要求极高，几乎很难实现对非合作目标的抓捕。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种仿章鱼触手空间抓捕机构，以实现不同形状和体积的目标的抓捕。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种仿章鱼触手空间抓捕机构，所述机构包括：与卫星平台上搭载的控制器连接的柔性臂，与柔性臂连接的抓捕姿态调整装置和刚柔耦合触手，与抓捕姿态调整装置连接的减振弹性气垫；
所述刚柔耦合触手分布在所述减振弹性气垫的周围；
所述抓捕姿态调整装置用于驱动所述减振弹性气垫转动，以模拟章鱼触手抓捕过程中的旋转动作；
所述刚柔耦合触手能够向减振弹性气垫的中心收拢，以模拟章鱼触手抓捕过程中的抓捕动作。
可选的，所述抓捕姿态调整装置包括：捻绳，设置在所述捻绳一端的滑动部，设置在所述捻绳另一端的第一转动部、设置在所述捻绳中段的第二转动部、基座、固定部和第一偏置弹簧；
所述固定部通过所述第一偏置弹簧与所述滑动部连接；
所述固定部固定设置在所述基座内，所述滑动部能够滑动的设置在所述基座内；
所述第一转动部和所述第二转动部均固定设置在所述减振弹性气垫内；
所述捻绳由多股SMA丝缠绕而成，当向多股所述SMA(Shape Memory Alloy，形状记忆合金)丝施加电压时，所述SMA丝收缩，所述捻绳由拉伸状态恢复成扭转状态，以带动所述第一转动部和所述第二转动部转动，进而带动所述减振弹性气垫转动；
所述第一偏置弹簧用于将处于扭转状态的捻绳拉伸成拉伸状态。
可选的，所述第二转动部用于将所述捻绳分成两段；其中，靠近所述滑动部的一段捻绳作为第一捻绳，靠近所述第一转动部的一段捻绳作为第二捻绳；
所述第二捻绳覆盖有导电材料。
可选的，所述导电材料的导电性能高于形状记忆合金的两个数量级。
可选的，所述滑动部为滑块，所述基座内设置有滑槽，所述滑块在所述滑槽内滑动。
可选的，刚柔耦合触手包括N+1个第一刚性元件、N个第二刚性元件、N个SMA弹簧和N个第二偏置弹簧；
第n个第一刚性元件的一端与第n个SMA弹簧的一端连接，第n个第一刚性元件的另一端与第n个第二刚性元件的一端可转动的连接，第n个第二刚性元件的另一端与第n+1个第一刚性元件的一端可转动的连接，第n个SMA弹簧的另一端与第n+1个第一刚性元件的另一端连接，n＝1，2，...，N；
所述第二偏置弹簧的两端分别与相邻两个第一刚性元件的中部连接；
第1个第一刚性元件的一端还与减振弹性气垫连接；
所述SMA弹簧在通入电流时处于收缩状态，进而使第一刚性元件靠近，使刚柔耦合触手处于折叠状态；所述第二偏置弹簧用于使所述刚柔耦合触手处于伸直状态。
可选的，第n个第一刚性元件的另一端与第n个第二刚性元件的一端通过铰链连接，第n个第二刚性元件的另一端与第n+1个第一刚性元件的一端通过铰链连接。
可选的，所述减振弹性气垫的周围分布有多个凹槽；
多个所述刚柔耦合触手的一端与所述凹槽过盈配合，所述刚柔耦合触手可相对于所述凹槽在预设角度内转动；
所述抓捕姿态调整装置的第一转动部和第二转动部与所述减振弹性气垫一端开设的卡槽固定连接。
可选的，所述减振弹性气垫的中心部分设置有小孔。
一种上述仿章鱼触手空间抓捕机构中的抓捕姿态调整装置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种仿章鱼触手空间抓捕机构，所述机构包括：与卫星平台上搭载的控制器连接的柔性臂，与柔性臂连接的抓捕姿态调整装置和刚柔耦合触手，与抓捕姿态调整装置连接的减振弹性气垫；所述刚柔耦合触手分布在所述减振弹性气垫的周围；所述抓捕姿态调整装置用于驱动所述减振弹性气垫转动，以模拟章鱼触手抓捕过程中的旋转动作；所述刚柔耦合触手能够向减振弹性气垫的中心收拢，以模拟章鱼触手抓捕过程中的抓捕动作。本发明通过设置模拟章鱼抓捕动作的结构，可适用于不同形状和体积的目标的抓捕。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术行人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种仿章鱼触手空间抓捕机构的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的抓捕姿态调整装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的减震弹性气垫与抓捕姿态调整装置的连接结构的爆炸图；
图4为本发明实施例1提供的减震弹性气垫与抓捕姿态调整装置的连接结构的示意图；
图5为本发明实施例1提供的刚柔耦合触手的完成抓捕动作时的结构示意图；
图6为本发明实施例1提供的刚柔耦合触手的靠近目标时的结构示意图。
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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术行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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种仿章鱼触手空间抓捕机构，以实现不同形状和体积的目标的抓捕。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供一种仿章鱼触手空间抓捕机构，包括内部通过激励信号的柔性臂1，减震弹性气垫3，抓捕姿态调整装置2以及均布于气垫四周的刚柔耦合触手4。
参阅图1，所述内部可通过激励信号的柔性臂1，一端与卫星平台上搭载的控制器相连，另外一端与所述的抓捕姿态调整装置2固连。所述柔性臂1的内部具有可以传递控制器信号的线路，更进一步的，该线路不仅传递了控制所述抓捕姿态调整装置1的信号，同时也传递了控制刚柔耦合触手4伸缩弯曲的信号。更进一步的，该柔性臂1内部通过激励信号的线路应接入抓捕姿态调整装置2内部限制捻线位置的滑动部102。采用柔性臂1的目的是为提高空间抓捕机构抓捕的自由度，并便于设置传递激励信号的线路。
请参阅图2，所述抓捕姿态调整装置2包括由多股SMA丝缠绕而成的捻绳，捻绳一端的滑动部102，通过第一偏置弹簧107与滑动部102相连的固定端101，位于捻绳中段以及远离弹簧107一端的第二转动部103、第一转动部104。滑动部102与第一偏置弹簧107相连，便于在激励结束后拉动SMA丝解捻，准备下一次对弹性气垫进行角度调整。捻绳由中段的第二转动部103分为左右两个部分，分别为第一捻绳105、第二捻绳106，第二捻绳106涂有特殊材料，该材料可以是金等导电性高于形状记忆合金两个数量级的材料。第一捻绳105段是裸露未经过处理的。滑动部102示例性的为滑块，该滑块置于基座108的滑槽处，只可平动不可转动。第二转动部103与第一转动部104与所需转动部分相连，相对固定端101不可平动。当控制器给捻绳施加电压时，第一捻绳105的SMA丝先达到激活温度，从拉伸状态恢复成扭转状态，带动转动部第二转动部103与第一转动部104同时转动，释放其因拉伸而产生的能量。当捻绳转动时，拉动滑动部102平动，带动第一偏置弹簧107拉伸。停止激励后，第一偏置弹簧拉动滑动部102部回到原位，同时第一捻绳105解捻，带动第二转动部103与第一转动部104转回到原位。
如图3和4所示，所述减震弹性气垫3的材料应为可以在太空环境下使用的弹性材料。其形状为半椭球体结构，四周开有与所述仿章鱼触手相配合的凹槽，该凹槽与触手进行过盈配合，且该凹槽可以限制仿章鱼触手相对弹性气垫转过的角度，这样做的目的在于，若触手相对于所述弹性气垫转过的角度过大，触手在向内弯曲时会产生不能将物体完全包裹的现象，从而造成目标逃逸。更进一步的，弹性气垫中心部分开有小孔，目的使抓捕机构结构减重，降低发射成本同时便于维修人员对内部接入的线路进行维护。更进一步的，弹性气垫的后端设置有卡槽，用于与所述抓捕姿态调整装置2的第一转动部104和第二转动部103进行固连。
参阅图5～6，刚柔耦合触手4内部骨架包括若干第一刚性元件201、若干第二刚性元件202，SMA弹簧203以及第二偏置弹簧204；外部包裹了一种可用于太空环境中的弹性体材料。若干第一刚性元件201、若干第二刚性元件202之间通过铰链相互连接，两两之间可以发生相对转动。更进一步的，与所述刚柔耦合触手4轴线垂直的刚性元件，即第一刚性元件201，其上下两端具有能够将SMA弹簧203端部固定的连接部，中部具有用于连接第二偏置弹簧204的连接部。设置第二偏执弹簧204的目的在于，当控制器停止发出的激励信号后，刚柔耦合触手4可以再次伸展，以便刚柔耦合触手4能够再次进行弯曲动作。当控制器给触手骨架上所有SMA弹簧通入电流时，弹簧具有的电阻产生热量，使其自身发生马氏体相变恢复原状，产生收缩变形，进而导致每两个与触手轴线垂直的刚性元件间空隙缩小，这样的执行目的在于抓捕机构靠近抓捕目标时，触手可以处于折叠状态，避免机构在未执行抓捕指令之前就与目标物体发生碰撞。更进一步的，如图6所示，当抓捕机构靠近抓捕目标时，控制器停止发出激励信号，刚柔耦合触手4在第二偏置弹簧204的作用下恢复成伸直状态。抓捕目标进入捕获范围后，如图5所示，控制器给触手骨架靠近减振弹性气垫3内侧安装的SMA弹簧203通入电流，SMA弹簧203产生收缩运动，触手骨架外侧安装的SMA弹簧203未激活，这样做的目的在于使触手骨架两侧的长度不一致，原来呈伸直状态的刚柔耦合触手4在其内部包裹的触手骨架的带动下向减振弹性气垫3中心弯曲，进而完成抓捕动作。进一步的，控制器在抓捕任务完成后停止发出激励信号，刚柔耦合触手4恢复成伸直状态，等待下一次抓捕指令。
实施例2
一种实施例1中的抓捕姿态调整装置。
基于上述实施例，本发明的优点如下：
有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明仿章鱼触手空间抓捕机构将四条仿章鱼触手(即刚柔耦合触手4)连接至可旋转的弹性气垫(即减振弹性气垫3)，由仿章鱼触手内部的SMA弹簧使触手产生弯曲，从而对既定目标实施抓捕。仿章鱼触手不仅内部设置有SMA弹簧和第二偏置弹簧，外部还包裹有可在太空中使用的弹性体。在抓捕机构对非合作目标实施抓捕时，仿章鱼触手外部包裹的弹性体以及弹性气垫可以减小抓捕过程中产生的侧滑和撞击，又由于对目标物体形状大小适用性好，所以降低了对精确辨识的依赖。
本发明适用抓捕对象范围广，突破机械臂，鱼叉对抓捕目标的限制，以立方星为例，可适用于400*400*400mm～800*800*800mm体积范围的所有目标，并且经过改进，可以实现更广泛的抓捕，突破了以往抓捕机构只能针对某一类目标体进行抓捕的限制。
本发明利用SMA材料特性设计了一种抓捕姿态调整装置，该装置通过调整弹性气垫转过的角度，使空间抓捕机构更好适应抓捕目标的运动姿态，进而提高抓捕机构的可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术行人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，所述机构包括：与卫星平台上搭载的控制器连接的柔性臂，与柔性臂连接的抓捕姿态调整装置和刚柔耦合触手，与抓捕姿态调整装置连接的减振弹性气垫；
所述刚柔耦合触手分布在所述减振弹性气垫的周围；
所述抓捕姿态调整装置用于驱动所述减振弹性气垫转动，以模拟章鱼触手抓捕过程中的旋转动作；
所述刚柔耦合触手能够向减振弹性气垫的中心收拢，以模拟章鱼触手抓捕过程中的抓捕动作。
2.根据权利要求1所述的仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，所述抓捕姿态调整装置包括：捻绳，设置在所述捻绳一端的滑动部，设置在所述捻绳另一端的第一转动部、设置在所述捻绳中段的第二转动部、基座、固定部和第一偏置弹簧；
所述固定部通过所述第一偏置弹簧与所述滑动部连接；
所述固定部固定设置在所述基座内，所述滑动部能够滑动的设置在所述基座内；
所述第一转动部和所述第二转动部均固定设置在所述减振弹性气垫内；
所述捻绳由多股SMA丝缠绕而成，当向多股所述SMA丝施加电压时，所述SMA丝收缩，所述捻绳由拉伸状态恢复成扭转状态，以带动所述第一转动部和所述第二转动部转动，进而带动所述减振弹性气垫转动；
所述第一偏置弹簧用于将处于扭转状态的捻绳拉伸成拉伸状态。
3.根据权利要求2所述的仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，所述第二转动部用于将所述捻绳分成两段；其中，靠近所述滑动部的一段捻绳作为第一捻绳，靠近所述第一转动部的一段捻绳作为第二捻绳；
所述第二捻绳覆盖有导电材料。
4.根据权利要求3所述的仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，所述导电材料的导电性能高于形状记忆合金两个数量级。
5.根据权利要求2所述的仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，所述滑动部为滑块，所述基座内设置有滑槽，所述滑块在所述滑槽内滑动。
6.根据权利要求1所述的仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，刚柔耦合触手包括N+1个第一刚性元件、N个第二刚性元件、N个SMA弹簧和N个第二偏置弹簧；
第n个第一刚性元件的一端与第n个SMA弹簧的一端连接，第n个第一刚性元件的另一端与第n个第二刚性元件的一端可转动的连接，第n个第二刚性元件的另一端与第n+1个第一刚性元件的一端可转动的连接，第n个SMA弹簧的另一端与第n+1个第一刚性元件的另一端连接，n＝1，2，...，N；
所述第二偏置弹簧的两端分别与相邻两个第一刚性元件的中部连接；
第1个第一刚性元件的一端还与减振弹性气垫连接；
所述SMA弹簧在通入电流时处于收缩状态，进而使第一刚性元件靠近，使刚柔耦合触手处于折叠状态；所述第二偏置弹簧用于使所述刚柔耦合触手处于伸直状态。
7.根据权利要求6所述的仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，第n个第一刚性元件的另一端与第n个第二刚性元件的一端通过铰链连接，第n个第二刚性元件的另一端与第n+1个第一刚性元件的一端通过铰链连接。
8.根据权利要求1所述的仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，所述减振弹性气垫周向分布有多个凹槽；
多个所述刚柔耦合触手的一端与所述凹槽过盈配合，所述刚柔耦合触手可相对于所述凹槽在预设角度内转动；
所述抓捕姿态调整装置的第一转动部和第二转动部与所述减振弹性气垫一端开设的卡槽固定连接。
9.根据权利要求8所述的仿章鱼触手空间抓捕机构，其特征在于，所述减振弹性气垫的中心部分设置有小孔。
10.一种权利要求1-9任一项所述的仿章鱼触手空间抓捕机构中的抓捕姿态调整装置。
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