CN103072142B - 一种空间绳系抓捕锁紧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间绳系抓捕锁紧装置，包括抓捕装置本体、锁紧机构、绳索、机械手爪，机械手爪固定安装在抓捕装置本体上部的安装支架上，三套机械手爪通过驱动电机控制同步转动，实现相向环抱构成“三指结构”；锁紧机构位于抓捕装置本体上部两侧与机械手爪相互垂直对称安装。绳索固连在抓捕装置本体底端中心部位，另一端与空间机动平台连接。抓捕目标时，是在相机进入测量盲区时接近并引导抓捕锁紧装置靠近目标，实施并将其锁紧限制于某一范围内实现防止目标逃逸的可靠抓捕。抓捕锁紧装置应用于“空间机动平台+空间系绳+空间绳系抓捕锁紧装置”结构的系统上；空间绳系抓捕锁紧装置结构简单、可靠性高，适合抓捕及锁紧单杆类目标。

Description

一种空间绳系抓捕锁紧装置

技术领域

本发明涉及一种机械式抓捕装置，具体地说，涉及一种空间绳系抓捕锁紧装置。

背景技术

随着空间技术的迅猛发展,高空中各种类型卫星、飞行器逐年增多,并且作用越来越大。但随之而来的是轨道上各种故障卫星\废弃卫星亦逐年增多，对失效卫星的回收成为各航天大国的研究热点。一般来说，对失效在空间漫游的卫星、飞行器采取或摧毁或抓捕回收措施；摧毁的方式主要有动能杀伤拦截器（KKV,Kinetic Kill Vehicle），动能杀伤拦截器主要是利用非爆炸性高速飞行所具有的巨大动能，通过直接碰撞或加装辅助装置的方式摧毁目标卫星，这种方式的缺点是会在高空中产生大量碎片，造成对空间环境的污染。抓捕装置研究较多的为空间飞网和空间灵巧手，空间飞网在抓捕目标卫星时主要依靠增大飞网的抓捕面积来提高抓捕成功率，但空间飞网的发射控制是被动式的，可控性不强，且抓捕后锁紧主要依靠收口装置，可靠性不高；空间灵巧手是抓取故障废弃卫星的特定部位来完成抓捕任务，对自身姿态轨道控制精度要求较高，空间灵巧手抓捕后主要依靠关节的阻尼力进行锁死，抓捕牢固性不强。

现有公开的文献中,美国的演示验证空间机器人技术计划（FREND）研制了一种螺栓孔抓取器，用于抓捕空间目标的分离螺栓。德国的服务卫星实验计划（ESS）及欧洲的智能航天器寿命延长系统（SMART-OLEV）采用改锥型抓捕机构，用于抓捕目标远地点发动机喷嘴。这些抓捕机构都是针对目标的特定抓捕位置，而且抓捕精度要求很高。

专利201010191494.8中公开了一种新型三自由度机械手爪，该机械手爪通过简单的运动机构,实现抓捕执行机构的伸缩、旋转及开合机械手爪多自由度的姿态调整,抓捕目标时比较灵活，但机械手爪上仅有一个转动关节。

在专利200610009814.7中公开了一种可折叠空间机械手，其特点是抓捕机构可以在未执行任务时折叠成紧凑的构型，执行任务时通过模块化关节的旋转、展开机械手执行抓捕操作。其操作手爪抓捕包络范围较小，且没有专门的抓捕后锁紧目标装置。

发明内容

为避免现有技术存在的不足,克服其结构复杂,抓捕装置活动范围小、抓捕锁紧易松动的问题，本发明提出一种空间绳系抓捕锁紧装置。抓捕锁紧装置应用于“空间机动平台+空间系绳+空间绳系抓捕锁紧装置”结构的系统上；抓捕锁紧机构安装在抓捕锁紧装置本体上，通过驱动电机控制实现机械手爪的同步转动、伸缩、开合，机械手爪相向环抱构成“三指结构”；抓捕目标时，是在相机进入测量盲区时接近并引导空间绳系抓捕锁紧装置靠近目标，实施并将其锁紧限制于某一范围内实现防止目标逃逸的可靠抓捕。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括抓捕装置本体、锁紧机构、机械手爪、绳索，

所述抓捕装置本体呈圆柱状，上部两侧有安装支架，机械手爪分别固连在安装支架上，锁紧机构位于抓捕装置本体上部与机械手爪相互垂直对称安装；本体面板上设有两个相对的台阶状卡槽，两个相机位于本体面板上卡槽的两端，且与锁紧机构在同一轴线上；三套机械手爪通过驱动电机控制同步转动，实现相向环抱构成“三指结构”；

所述锁紧机构由基座、引导杆、支撑杆、旋转杆、压缩弹簧组成，基座两侧呈圆弧面与抓捕装置本体相合，圆弧面中心有螺孔，基座上部设有半圆形凹槽，引导杆和支撑杆固连在基座的两端；支撑杆与旋转杆通过铰链轴连接，两杆的内侧固连有压缩弹簧；引导杆另一端内侧有凹槽，旋转杆另一端外侧设有楔形凸块，凹槽与楔形凸块对应相合；

所述机械手爪包括第一手爪引导爪、第二手爪引导爪、第三手爪引导爪、第一手爪、第二手爪、第三手爪、第一驱动电机、第二驱动电机、第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮，第一手爪一端通过转动轴和第二安装支架固连，另一端与第一手爪引导爪连接，手爪与引导爪的连接处设有限位块，第二驱动电机固定安装在抓捕装置本体上，第二主动齿轮与第二驱动电机输出轴固连，且与固连在转动轴上第二从动齿轮啮合传动，实现对第一手爪的转动控制；

第二手爪和第三手爪通过转动轴固连在第一安装支架上，另一端分别与第二手爪引导爪和第三手爪引导爪连接，手爪与引导爪的连接处设有限位块，第一驱动电机固定安装在抓捕装置本体上，第一主动齿轮与第一驱动电机输出轴固连，且与固连在转动轴上第一从动齿轮啮合传动；实现对第二手爪和第三手爪的同步转动控制。

绳索的一端固连在抓捕装置本体底端中心部位,另一端与空间机动平台连接。

有益效果

本发明空间绳系抓捕锁紧装置，通过运动机构实现机械手爪的伸缩、开合,抓捕目标灵活。机械手爪固定安装在抓捕装置本体上部两侧的安装支架上，三套机械手爪通过驱动电机控制同步转动，实现相向环抱构成“三指结构”；锁紧机构位于抓捕装置本体上部与机械手爪相互垂直对称安装。绳索固连在抓捕装置本体底端中心部位,另一端与空间机动平台连接。抓捕目标时，是在相机进入测量盲区时接近并引导抓捕锁紧装置靠近目标，实施并将其锁紧限制于某一范围内实现防止目标逃逸的可靠抓捕。抓捕锁紧装置应用于“空间机动平台+空间系绳+空间绳系抓捕锁紧装置”结构的系统上；空间绳系抓捕锁紧装置结构简单、可靠性高，适合抓捕及锁紧单杆类目标。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种空间绳系抓捕锁紧装置作进一步的详细说明。

图1为本发明空间绳系抓捕锁紧装置的机械手爪展开状态示意图。

图2为本发明空间绳系抓捕锁紧装置的机械手爪收拢状态示意图。

图3为本发明空间绳系抓捕锁紧装置的锁紧机构示意图。

图4为本发明空间绳系抓捕锁紧装置抓捕到单杆目标后组合体示意图。

图中:

1.第一手爪引导爪2.第二手爪引导爪3.第三手爪引导爪4.限位块5.第二手爪6.第三手爪7.第一从动齿轮8.第一驱动电机9.第一主动齿轮10.抓捕装置本体11.绳索12.第一安装支架13.本体面板14.卡槽15.锁紧机构16.相机17.第二安装支架18.第二从动齿轮19.第一手爪20.旋转杆21.压缩弹簧22.支撑杆23.基座24.引导杆25.第二驱动电机26.第二主动齿轮27.目标

具体实施方式

本实施例是一种空间绳系抓捕锁紧装置。抓捕锁紧装置应用于“空间机动平台+空间系绳+空间绳系抓捕锁紧装置”结构的系统上；机械手爪固定安装在抓捕装置本体上部两侧的安装支架上，三套机械手爪通过驱动电机控制同步转动，实现相向环抱构成“三指结构”；适合抓捕及锁紧单杆类目标。

参阅图1、图2、图3、图4,本发明空间绳系抓捕锁紧装置由抓捕装置本体、锁紧机构、机械手爪、绳索组成；抓捕装置本体10为圆柱状结构，上部两侧固定有第一安装支架12和第二安装支架17；本体面板13上中心部位固定安装有两个相对的台阶状卡槽14，两个寻的目标的相机16位于本体面板13上卡槽14间的两侧，且与安装在抓捕装置本体10上部两侧的锁紧机构15在同一轴线上。锁紧机构由基座23、引导杆24、支撑杆22、旋转杆20、压缩弹簧21组成，基座23两侧呈圆弧面与抓捕装置本体10相吻合，圆弧面中心有螺孔，基座23上部设置有半圆形凹槽，引导杆24和支撑杆22固连在基座23的两端；支撑杆22与旋转杆20通过铰链轴连接，旋转杆20与支撑杆22之间的内侧连接有压缩弹簧21；对旋转杆20起到限制与主动回弹作用；引导杆24另一端内侧有凹槽，旋转杆20另一端外侧设置有楔形凸块，凹槽与楔形凸块对应相合，并限制旋转杆20向引导杆24包络外旋转运动。锁紧机构15与机械手爪相互垂直对称安装于抓捕装置本体10上部两侧，当抓捕装置抓捕目标成功压至锁紧机构15后可防止目标逃逸。

抓捕装置本体10上部两侧安装支架上固连有机械手爪，机械手爪包括第一手爪引导爪1、第二手爪引导爪2、第三手爪引导爪3、第一手爪19、第二手爪5、第三手爪6、第一驱动电机8、第二驱动电机25、第一主动齿轮9、第二主动齿轮26、第一从动齿轮7、第二从动齿轮18；其中，第一手爪19的一端通过转动轴和第二安装支架17固定连接，第一手爪19的另一端与第一手爪引导爪1连接，手爪与引导爪的连接处设置有限位块4，对第一手爪引导爪1起限位作用，第二驱动电机25固定安装在抓捕装置本体10上，第二主动齿轮26与第二驱动电机25输出轴固连，且与固连在转动轴上的第二从动齿轮18啮合传动；实现对第一手爪19的转动控制。第二手爪5和第三手爪6通过转动轴分别固定连接在第一安装支架12上，第二手爪5和第三手爪6的另一端分别与第二手爪引导爪2和第三手爪引导爪3连接，两个手爪与两个引导爪的连接处分别设置有限位块，对手爪引导爪起限位作用；第一驱动电机8固定安装在抓捕装置本体10上，第一主动齿轮9与第一驱动电机8输出轴固连，且与固连在转动轴上第一从动齿轮7啮合传动，实现对第二手爪5和第三手爪6的同步转动控制；三套机械手爪相向环抱构成“三指结构”。

绳索11的一端固连在抓捕装置本体10底端中心部位,另一端与空间机动平台连接。

以抓捕卫星太阳能帆板单杆目标为例对空间绳系抓捕锁紧装置的操作控制进行说明:

第一步:空间机动平台通过绳索11释放空间绳系抓捕锁紧装置，空间绳系抓捕锁紧装置自主寻的逼近故障废弃卫星，在逼近至一定距离时机械手爪由图2所示的收拢状态缓慢张开呈图1所示的待抓捕状态，在这过程中第一手爪引导爪1、第二手爪引导爪2和第三手爪引导爪3先由各自舵机控制旋转张开至预定位置，第一手爪19由第二驱动电机25、第二手爪5与第三手爪6由第一驱动电机8驱动张开至预定角度；

第二步:在进入相机16寻的测量范围后，根据相机提供的导航信息控制空间绳系抓捕锁紧装置本体位姿，使第一手爪引导爪1和第二手爪引导爪2、第三手爪引导爪3分别位于太阳能帆板单杆目标27两侧，待空间绳系抓捕锁紧装置逼近目标至近距离状态时由于相机16的测量盲区，不能准确获得待抓捕单杆目标27的各种信息，此时第一手爪引导爪1和第二手爪引导爪2、第三手爪引导爪3在三个驱动舵机控制下开始慢慢合拢，当所有引导爪都接触到单杆目标27时，表示单杆目标27已在抓捕包络范围内，在此过程中先接触到单杆目标27的引导爪在接触后即停止旋转等待其它引导爪都接触到目标，如果接触力过大会使引导爪反向旋转，旋转至对应手爪限位块后挡住即停止旋转；

第三步:第一手爪引导爪1、第二手爪引导爪2、第三手爪引导爪3继续合拢，引导空间绳系抓捕锁紧装置本体10继续靠近单杆目标27，一定时间后第一手爪19、第二手爪5和第三手爪6开始合拢，当第一手爪19、第二手爪5和第三手爪6接触到单杆目标27时表明抓捕基本完成，此时第一手爪引导爪1、第二手爪引导爪2、第三手爪引导爪3停止合拢；

第四步:第一手爪19和第二手爪5、第三手爪6继续合拢，当单杆目标27接触到锁紧机构旋转杆20后迫使旋转杆20克服压缩弹簧21压力旋转使锁紧机构15打开，单杆目标27进入到锁紧机构15内，旋转杆20在压缩弹簧21弹力作用下反向合拢至引导杆24限位块后挡住停止运动，第一手爪19和第二手爪5、第三手爪6继续合拢，将单杆目标27压紧至卡槽14内；当单杆目标逃逸时由于第一手爪19和第二手爪5、第三手爪6的反向作用力及锁紧机构15的完全限制使其不能逃逸，最终抓捕完成；如图4所示。

Claims (2)

1.一种空间绳系抓捕锁紧装置，其特征在于:包括抓捕装置本体、锁紧机构、机械手爪、绳索，

所述抓捕装置本体呈圆柱状，上部两侧有安装支架，机械手爪分别固连在安装支架上，锁紧机构位于抓捕装置本体上部与机械手爪相互垂直对称安装；本体面板上设有两个相对的台阶状卡槽，两个相机位于本体面板上卡槽的两端，且与锁紧机构在同一轴线上；三套机械手爪通过驱动电机控制同步转动，实现相向环抱构成“三指结构”；

所述锁紧机构由基座、引导杆、支撑杆、旋转杆、压缩弹簧组成，基座两侧呈圆弧面与抓捕装置本体相合，圆弧面中心有螺孔，基座上部设有半圆形凹槽，引导杆和支撑杆固连在基座的两端；支撑杆与旋转杆通过铰链轴连接，两杆的内侧固连有压缩弹簧；引导杆另一端内侧有凹槽，旋转杆另一端外侧设有楔形凸块，凹槽与楔形凸块对应相合；

所述机械手爪包括第一手爪引导爪、第二手爪引导爪、第三手爪引导爪、第一手爪、第二手爪、第三手爪、第一驱动电机、第二驱动电机、第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮，第一手爪一端通过转动轴和第二安装支架固连，另一端与第一手爪引导爪连接，手爪与引导爪的连接处设有限位块，第二驱动电机固定安装在抓捕装置本体上，第二主动齿轮与第二驱动电机输出轴固连，且与固连在转动轴上第二从动齿轮啮合传动；实现对第一手爪的转动控制；第二手爪和第三手爪通过转动轴固连在第一安装支架上，另一端分别与第二手爪引导爪和第三手爪引导爪连接，手爪与引导爪的连接处设有限位块，第一驱动电机固定安装在抓捕装置本体上，第一主动齿轮与第一驱动电机输出轴固连，且与固连在转动轴上第一从动齿轮啮合传动；实现对第二手爪和第三手爪的同步转动控制。

2.根据权利要求1所述的空间绳系抓捕锁紧装置，其特征在于:绳索的一端固连在抓捕装置本体底端中心部位,另一端与空间机动平台连接。