CN117002755B - 一种空间运动目标抓捕网爪机构及其操控方法 - Google Patents

Abstract

一种空间运动目标抓捕网爪机构及其操控方法，包括抓捕网爪本体、基座、力矩传动机构、驱动机构以及被动消旋机构；所述抓捕网爪本体包括5个机械卷捕手指，5个机械卷捕手指设置在基座上方并且围绕基座中心呈圆形均匀分布，所述基座上表面设置有力矩传动机构、驱动机构，驱动机构输出的力矩通过力矩传动机构传递到抓捕网爪本体，可以同时开合5个机械卷捕手指。本发明所述的空间运动目标抓捕网爪机构及其操控方法，结构设计合理，可以实现对参数不确定、几何外形复杂多样的空间运动目标的自适应抓捕，通过被动消旋机构在一定程度上实现对空间运动目标的被动消旋，降低抓捕过程中碰撞的风险，增加抓捕的安全性。

Description

一种空间运动目标抓捕网爪机构及其操控方法

技术领域

本发明属于空间非合作目标抓捕技术领域，具体涉及一种空间运动目标抓捕网爪机构及其操控方法。

背景技术

空间运动目标，尤其是大量存在的太空垃圾这类空间运动目标，占用了宝贵的空间资源，其运动信息难以获取，甚至无法获取，如何有效地捕获、清除太空垃圾这类空间运动目标对维护太空资产的安全具有重要的意义。

由于空间摩擦力非常小，空间运动目标能够长期保持高速自由翻滚运动状态。因此，对航天器及卫星的安全会造成巨大隐患，并且对抓捕提出了很高的要求。此时，单独设置的被动消旋装置，加大了抓捕运动目标的可能性。此外，为了降低抓捕这类非合作的空间运动目标，普适性的抓捕机械手具有重要的作用。

因此，本发明的目的是提供一种具有强包容性、自适应性的基于被动消旋的空间运动目标抓捕网爪机构及其操控方法，针对非合作的空间运动目标抓捕的难度及挑战，通过消除空间运动目标的旋转对抓捕造成的影响，降低抓捕过程中碰撞的风险，从最终实现对运空间运动目标的快速、安全、有效的抓捕。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种空间运动目标抓捕网爪机构及其操控方法，针对非合作的空间运动目标抓捕的难度及挑战，基于被动消旋设计了抓捕网爪机构，可以实现对参数不确定、几何外形复杂多样的空间运动目标的自适应抓捕，在抓捕过程中，通过被动消旋机构以在一定程度上实现对空间运动目标的被动消旋，可降低抓捕过程中碰撞的风险，增加抓捕的安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种空间运动目标抓捕网爪机构，所述抓捕网爪机构包括：

抓捕网爪本体，所述抓捕网爪本体包括5个机械卷捕手指，用于抓捕空间运动目标；

基座，5个所述机械卷捕手指设置在基座上方并且围绕基座中心呈圆形均匀分布；

力矩传动机构，所述基座上表面设置有力矩传动机构；

驱动机构，所述基座上表面设置有驱动机构；所述驱动机构、力矩传动机构、抓捕网爪本体依次连接，驱动机构输出的力矩通过力矩传动机构传递到抓捕网爪本体，可以同时开合5个机械卷捕手指；

被动消旋机构，所述被动消旋机构包括消旋组件、蓄力弹簧，所述消旋组件设置在基座下方并且与基座相连接，所述消旋组件相对于基座可以360度自由旋转，所述消旋组件内部中心设置有蓄力弹簧，通过所述蓄力弹簧的变形吸收空间运动目标的旋转能量。

本发明所述的空间运动目标抓捕网爪机构，结构设计合理，包括抓捕网爪本体、基座、力矩传动机构、驱动机构以及被动消旋机构。其中，抓捕网爪本体采用5个机械卷捕手指，由驱动机构输出旋转力矩，力矩传动通过安装在5个机械手指之间的力矩传动机构实现，可以同时开合所有的机械卷捕手指，从而包裹住位于中心的旋转的空间运动目标，被动消旋机构的消旋组件相对于基座可以360度自由旋转，被动耗散空间运动目标的旋转速度并达到相对静止，从而达到可抓取相对运动范围，从而减小抓捕冲击对抓捕网爪机构的影响，实现对空间运动目标的快速、安全、有效抓捕。

进一步的，上述的空间运动目标抓捕网爪机构，所述机械卷捕手指包括：

手指本体，

防滑软垫，所述手指本体内侧设置有防滑软垫。

进一步的，上述的空间运动目标抓捕网爪机构，所述防滑软垫采用柔性硅胶材料。

每个机械卷捕手指的内侧附着设置有一段防滑软垫，防滑软垫采用柔性硅胶材料，可以增加与空间运动目标的摩擦力，可在机械卷捕手指刚接触到空间运动目标时回退，确保空间运动目标的接触力不会破坏抓捕网爪本体的结构。

进一步的，上述的空间运动目标抓捕网爪机构，所述力矩传动机构包括：

旋转轴组件，所述旋转轴组件包括5个旋转轴，对应5个机械卷捕手指；

万向传动组件，通过使用旋转轴组件和万向传动组件同时开合5个机械卷捕手指。

所述力矩传动机构使用旋转轴和万向传动组件同时开合所有的机械卷捕手指。

进一步的，上述的空间运动目标抓捕网爪机构，所述驱动机构包括：

电机；

圆锥齿轮组件，所述圆锥齿轮组件由2个圆锥齿轮组组成，2个所述圆锥齿轮组通过垂直安装，将电机输出的力矩转换到垂直方向，并且通过不同的齿轮比进行减速，然后通过力矩传动机构将力矩传递到5个机械卷捕手指上。

5个机械卷捕手指通过串联的力矩传动机构及圆锥齿轮组和电机连接，电机将力矩传递到每个机械卷捕手指上，实现机械卷捕手指的开合控制。

进一步的，上述的空间运动目标抓捕网爪机构，所述消旋组件包括：

消旋底座，所述消旋底座设置在基座下方并且与基座相连接，所述消旋底座相对于基座可以360度自由旋转；

阻转齿轮，所述消旋底座内底面中心设置有阻转齿轮，所述蓄力弹簧设置在阻转齿轮内；

双向锁，所述消旋底座与基座之间设置有双向锁，使得基座相对于消旋底座只能单向旋转，并且防止蓄能的蓄力弹簧释放能量。

消旋底座内使用蓄力弹簧将空间运动目标的旋转动能转换为弹性势能，双向锁的设计，使得基座相对于消旋组件只能单向旋转，并且防止蓄能的蓄力弹簧释放能量，最终使得抓捕网爪机构和空间运动目标的相对静止，从而降低抓捕的风险，增加抓捕的安全性。

进一步的，上述的空间运动目标抓捕网爪机构，还包括：

编码器，所述编码器设置在万向传动组件的一端。

进一步的，上述的空间运动目标抓捕网爪机构，所述抓捕网爪机构的径向旋转为随动结构，实现边抓捕、边旋转。

将抓捕网爪机构的径向旋转设计为随动结构，可以实现边抓捕，边旋转，使抓捕网爪本体与空间运动目标贴合更加紧密。

本发明还涉及所述空间运动目标抓捕网爪机构的操控方法，包括如下步骤：

S1：搭载抓捕网爪机构的操作卫星通过传感器设备获取当前抓捕网爪本体和空间运动目标的相对位置，通过机体导航算法引导操作卫星前往空间运动目标附近；

S2：将抓捕网爪本体送到空间运动目标附近，此时抓捕网爪本体的机械卷捕手指处于打开状态；

S3：机械卷捕手指受到驱动机构的力矩而旋转，机械卷捕手指的合拢方向指向圆心，5个机械手指同时缓慢合拢，尝试与空间运动目标进行接触，当第一根机械卷捕手指的内侧接触到空间运动目标后，所述机械卷捕手指内侧的防滑软垫发生形变，其反作用力将空间运动目标推入5根机械卷捕手指的中心位置；

S4：空间运动目标离开第一根接触后的机械卷捕手指后，越过中心点后与其余机械卷捕手指接触并且碰撞，所述机械卷捕手指内侧的防滑软垫反复吸收空间运动目标的相对动能，直至空间运动目标处于中心位置；

S5：抓捕网爪本体由于和空间运动目标的碰撞，发生单一方向旋转，基座与消旋组件的消旋底座的相对旋转将旋转能量储存到消旋组件内部的蓄力弹簧中，机械卷捕手指进一步收拢，直至完全包裹住目标。

所述操控方法采用单元式分布控制，分步骤有效的抓捕了空间运动目标，实现有效的抓捕空间运动目标的效果。

进一步的，上述的空间运动目标抓捕网爪机构的操控方法，其特征在于，所述传感器设备包括但不限于雷达、视觉传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明公开的空间运动目标抓捕网爪机构，结构设计合理，针对非合作的空间运动目标抓捕的难度及挑战，设计了一种包括抓捕网爪本体、基座、力矩传动机构、驱动机构以及被动消旋机构的抓捕网爪机构结构，抓捕网爪机构的主体为5个安装在基座上的机械卷捕手指组成，通过机械卷捕手指的开合，可以实现对参数不确定、几何外形复杂多样的空间运动目标的自适应抓捕；在抓捕过程中，所述抓捕网爪机构可以在一定程度上实现对空间运动目标的被动消旋，可以降低抓捕过程中碰撞的风险，增加抓捕的安全性；通过网爪闭合，可以形成一个半封闭/封闭的固定外包络以抑制空间翻滚目标的运动范围，使其无法逃脱；

（2）本发明公开的空间运动目标抓捕网爪机构，每个机械卷捕手指的内侧附着设置有一段防滑软垫，防滑软垫采用柔性硅胶材料，增加了与空间运动目标的摩擦力，防止空间运动目标与机机械卷捕手指的滑动，还可以在机械卷捕手指刚接触到空间运动目标时回退，确保空间运动目标的接触力不会破坏抓捕网爪本体的结构；由于抓捕网爪机构径向旋转的随动结构，可以实现边抓捕，边旋转，使抓捕网爪本体与空间运动目标贴合更加紧密；在抓捕过程中，消旋底座内使用蓄力弹簧将空间运动目标的旋转动能转换为弹性势能，双向锁的设计，使得基座相对于消旋组件只能单向旋转，并且防止蓄能的蓄力弹簧释放能量，最终使得抓捕网爪机构和空间运动目标的相对静止，从而降低抓捕的风险，增加抓捕的安全性；

（3）本发明公开的空间运动目标抓捕网爪机构的操控方法，针对上述抓捕网爪机构结构设计了对应的操控方法，操控方法采用单元式分布控制，分步骤有效的抓捕了空间运动目标，具有强包容性、自适应性，弥补了现有抓捕技术在空间非结构化旋转目标捕获过程中无法测量、无固定抓捕点等技术缺点，实现了有效的抓捕空间运动目标的效果。

附图说明

图1为本发明所述空间运动目标抓捕网爪机构的总体图；

图2为本发明所述空间运动目标抓捕网爪机构的总体透视图；

图3为本发明所述空间运动目标抓捕网爪机构的总体俯视图；

图4为本发明所述空间运动目标抓捕网爪机构的总体侧视图；

图5为本发明所述空间运动目标抓捕网爪机构的消旋机构的总体透视图；

图中：抓捕网爪本体1、机械卷捕手指11、手指本体111、防滑软垫112、基座2、力矩传动机构3、旋转轴组件31、旋转轴311、万向传动组件32、驱动机构4、电机41、圆锥齿轮组件42、被动消旋机构5、消旋组件51、消旋底座511、阻转齿轮512、双向锁513、蓄力弹簧52、编码器6。

具体实施方式

下面将实施例1、实施例2结合附图1-5，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1提供了一种空间运动目标抓捕网爪机构。

实施例1

如图1-5所示，本发明所述的空间运动目标抓捕网爪机构，针对非合作的空间运动目标抓捕的难度及挑战，设计了抓捕网爪机构。所述抓捕网爪机构包括抓捕网爪本体1、基座2、力矩传动机构3、驱动机构4、被动消旋机构5，抓捕网爪机构采用径向旋转的随动结构，可以实现边抓捕，边旋转，抓捕时与空间运动目标贴合更加紧密。

其中，抓捕网爪机构的主体，抓捕网爪本体1包括5个机械卷捕手指11，5个所述机械卷捕手指11设置在基座2上方并且围绕基座2中心呈圆形均匀分布，机械卷捕手指11的闭合可以形成一个半封闭/封闭的固定外包络以抑制空间运动目标的运动范围，使其无法逃脱。

其中，力矩传动机构3、驱动机构4分别设置在基座2上表面，5个机械卷捕手指11通过力矩传动机构3和同一个驱动机构4连接，驱动机构4输出的力矩通过力矩传动机构3传递到抓捕网爪本体1，可以同时开合5个机械卷捕手指11，收拢抓紧空间运动目标。

其中，在抓捕过程中，基于被动消旋，采用被动消旋机构5实现对空间运动目标的被动消旋，可以降低抓捕过程中碰撞的风险，增加抓捕的安全性。所述被动消旋机构5包括消旋组件51、蓄力弹簧52，所述消旋组件51设置在基座2下方并且与基座2相连接，所述消旋组件51相对于基座2可以360度自由旋转，所述消旋组件51内部中心设置有蓄力弹簧52，通过所述蓄力弹簧52的变形吸收空间运动目标的旋转能量。

进一步的，所述机械卷捕手指11包括手指本体111、防滑软垫112，所述手指本体111内侧设置有防滑软垫112，防滑软垫112采用柔性硅胶材料，通过在每个机械卷捕手指11的内侧附着设置有一段防滑软垫，可以增加与空间运动目标的摩擦力，可在机械卷捕手指11刚接触到空间运动目标时回退，确保空间运动目标的接触力不会破坏抓捕网爪本体1的结构。

进一步的，所述力矩传动机构3包括旋转轴组件31、万向传动组件32，通过使用旋转轴组件31和万向传动组件32同时开合5个机械卷捕手指11。

进一步的，所述驱动机构4包括电机41、圆锥齿轮组件42，圆锥齿轮组件42由2个圆锥齿轮组组成，2个所述圆锥齿轮组通过垂直安装，将电机41输出的力矩转换到垂直方向，并且通过不同的齿轮比进行减速，然后通过力矩传动机构3将力矩传递到5个机械卷捕手指11上。

进一步的，所述消旋组件51包括消旋底座511、阻转齿轮512、双向锁513，消旋底座511相对于基座2可以360度自由旋转，消旋底座511内底面中心设置有阻转齿轮512，蓄力弹簧52设置在阻转齿轮512内，上述设计通过多次接触空间运动目标可以减缓旋转速度，蓄力弹簧52将空间运动目标的旋转动能转换为弹性势能，被动耗散空间运动目标的旋转速度并达到相对静止，从而达到可抓取相对运动范围。通过设置双向锁513使得基座511相对于消旋底座2只能单向旋转，并且防止蓄能的蓄力弹簧52释放能量。

进一步的，所述抓捕网爪机构还包括编码器6。

实施例2提供了一种空间运动目标抓捕网爪机构的操控方法。

实施例2

本发明所述的空间运动目标抓捕网爪机构的操控方法，针对上述实施例1的抓捕网爪机构结构而设计，操控方法采用单元式分布控制，分步骤有效的抓捕了空间运动目标，具有强包容性、自适应性，弥补了现有抓捕技术在空间非结构化旋转目标捕获过程中无法测量、无固定抓捕点等技术缺点，具体包括如下步骤：

S1：搭载抓捕网爪机构的操作卫星通过雷达、视觉传感器等传感器设备获取当前抓捕网爪本体1和空间运动目标的相对位置，通过机体导航算法引导操作卫星前往空间运动目标附近；

S2：将抓捕网爪本体1送到空间运动目标附近，此时抓捕网爪本体1的机械卷捕手指11处于打开状态；

S3：机械卷捕手指11受到驱动机构4的力矩而旋转，机械卷捕手指11的合拢方向指向圆心，5个机械手指同时缓慢合拢，尝试与空间运动目标进行接触，当第一根机械卷捕手指11的内侧接触到空间运动目标后，所述机械卷捕手指11内侧的防滑软垫112发生形变，其反作用力将空间运动目标推入5根机械卷捕手指11的中心位置；

S4：空间运动目标离开第一根接触后的机械卷捕手指11后，越过中心点后与其余机械卷捕手指11接触并且碰撞，所述机械卷捕手指11内侧的防滑软垫112反复吸收空间运动目标的相对动能，直至空间运动目标处于中心位置；

S5：抓捕网爪本体1由于和空间运动目标的碰撞，发生单一方向旋转，基座2与消旋组件51的消旋底座511的相对旋转将旋转能量储存到消旋组件51内部的蓄力弹簧52中，机械卷捕手指11进一步收拢，直至完全包裹住目标。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种空间运动目标抓捕网爪机构，其特征在于，所述抓捕网爪机构包括：

抓捕网爪本体（1），所述抓捕网爪本体（1）包括5个机械卷捕手指（11），用于抓捕空间运动目标；

所述机械卷捕手指（11）包括：

手指本体（111）；

防滑软垫（112），所述手指本体（111）内侧设置有防滑软垫（112）；

基座（2），5个所述机械卷捕手指（11）设置在基座（2）上方并且围绕基座（2）中心呈圆形均匀分布；

力矩传动机构（3），所述基座（2）上表面设置有力矩传动机构（3）；

所述力矩传动机构（3）包括：

旋转轴组件（31），所述旋转轴组件（31）包括5个旋转轴（311），对应5个机械卷捕手指（11）；

万向传动组件（32），通过使用旋转轴组件（31）和万向传动组件（32）同时开合5个机械卷捕手指（11）；

驱动机构（4），所述基座（2）上表面设置有驱动机构（4）；所述驱动机构（4）、力矩传动机构（3）、抓捕网爪本体（1）依次连接，驱动机构（4）输出的力矩通过力矩传动机构（3）传递到抓捕网爪本体（1），同时开合5个机械卷捕手指（11）；

被动消旋机构（5），所述被动消旋机构（5）包括消旋组件（51）、蓄力弹簧（52），所述消旋组件（51）设置在基座（2）下方并且与基座（2）相连接，所述消旋组件（51）相对于基座（2）360度自由旋转，所述消旋组件（51）内部中心设置有蓄力弹簧（52），通过所述蓄力弹簧（52）的变形吸收空间运动目标的旋转能量；

所述消旋组件（51）包括：

消旋底座（511），所述消旋底座（511）设置在基座（2）下方并且与基座（2）相连接，所述消旋底座（511）相对于基座（2）360度自由旋转；

阻转齿轮（512），所述消旋底座（511）内底面中心设置有阻转齿轮（512），所述蓄力弹簧（52）设置在阻转齿轮（512）内；

双向锁（513），所述消旋底座（511）与基座（2）之间设置有双向锁（513），使得基座（2）相对于消旋底座（511）只能单向旋转，并且防止蓄能的蓄力弹簧（52）释放能量。

2.根据权利要求1所述的空间运动目标抓捕网爪机构，其特征在于，所述防滑软垫（112）采用柔性硅胶材料。

3.根据权利要求1所述的空间运动目标抓捕网爪机构，其特征在于，所述驱动机构（4）包括：

电机（41）；

圆锥齿轮组件（42），所述圆锥齿轮组件（42）由2个圆锥齿轮组组成，2个所述圆锥齿轮组通过垂直安装，将电机（41）输出的力矩转换到垂直方向，并且通过不同的齿轮比进行减速，然后通过力矩传动机构（3）将力矩传递到5个机械卷捕手指（11）上。

4.根据权利要求1所述的空间运动目标抓捕网爪机构，其特征在于，还包括：

编码器（6），所述编码器（6）设置在万向传动组件（32）的一端。

5.根据权利要求1所述的空间运动目标抓捕网爪机构，其特征在于，所述抓捕网爪机构的径向旋转为随动结构，实现边抓捕、边旋转。

6.根据权利要求1-5任一项所述的空间运动目标抓捕网爪机构的操控方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：搭载抓捕网爪机构的操作卫星通过传感器设备获取当前抓捕网爪本体（1）和空间运动目标的相对位置，通过机体导航算法引导操作卫星前往空间运动目标附近；

S2：将抓捕网爪本体（1）送到空间运动目标附近，此时抓捕网爪本体（1）的机械卷捕手指（11）处于打开状态；

S3：机械卷捕手指（11）受到驱动机构（4）的力矩而旋转，机械卷捕手指（11）的合拢方向指向圆心，5个机械手指同时缓慢合拢，尝试与空间运动目标进行接触，当第一根机械卷捕手指（11）的内侧接触到空间运动目标后，所述机械卷捕手指（11）内侧的防滑软垫（112）发生形变，其反作用力将空间运动目标推入5根机械卷捕手指（11）的中心位置；

S4：空间运动目标离开第一根接触后的机械卷捕手指（11）后，越过中心点后与其余机械卷捕手指（11）接触并且碰撞，所述机械卷捕手指（11）内侧的防滑软垫（112）反复吸收空间运动目标的相对动能，直至空间运动目标处于中心位置；

S5：抓捕网爪本体（1）由于和空间运动目标的碰撞，发生单一方向旋转，基座（2）与消旋组件（51）的消旋底座（511）的相对旋转将旋转能量储存到消旋组件（51）内部的蓄力弹簧（52）中，机械卷捕手指（11）进一步收拢，直至完全包裹住目标。

7.根据权利要求6所述的空间运动目标抓捕网爪机构的操控方法，其特征在于，所述传感器设备包括雷达、视觉传感器。