一种自适应抓捕消旋装置的制作方法

[0001]
本发明涉及空间碎片捕获技术领域，具体涉及一种自适应抓捕消旋装置。


背景技术：

[0002]
空间碎片是指人类在空间活动过程中遗留在空间的废弃物。在轨道高度500km到2000km航天器比较密集的近地球轨道中，截至2014年4月，可编目的空间物体数量尺度在100mm以上约为16655个，并且每年以5％的速度增加，这些空间碎片对正常航天器的安全产生了严重的威胁。对于尺寸大于100mm以上的空间碎片，由于其尺寸和质量较大，一般需要采用捕获的形式清理。
[0003]
中国专利申请cn201310503724.3(绳网式空间碎片抓捕与清除系统)公开了一种绳网式空间碎片清理系统，中国专利申请cn201210228365.0(一种基于薄壁式伸展臂的绳网展开装置)公开了另一种绳网式的空间碎片捕获装置，这些绳网方式捕获范围大，对空间碎片的外形和尺寸适应能力强，捕获时对捕获航天器冲击小；但是这些绳网方式不能重复使用，捕获成本太高，并且抓捕完成后难以建立对捕获目标的姿态控制，对于具有自旋运动的空间碎片，容易发生绳索缠绕的问题。
[0004]
另一种方式是采用机械手的方式捕获，中国专利申请cn106882402b(一种适用于自旋空间碎片的捕获消旋机构)公开了一种由绳索驱动的能够对自旋空间碎片实施捕获并使其自旋运动停止的捕获消旋机构，该机构能够对自旋的空间碎片实施捕获并使其自旋运动停止。但这种纯机械式机构不能够在捕获过程中控制接触力的大小，在捕获过程中容易造成接触冲击力过大，对星体造成冲击和损伤。另外，这种装置采用联动的欠驱动形式的手指机构，手指只能同时展开或收拢，碎片在捕获过程中发生偏置时，容易造成捕获目标的逃脱。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明提供了一种自适应抓捕消旋装置，能够对空间碎片实施捕获并能够控制捕获过程中的接触力大小。
[0006]
本发明的技术方案为：一种自适应抓捕消旋装置，包括：底座组件、手指机构、驱动和控制组件及信息感知组件；
[0007]
所述底座组件能够自转消旋，以减少输入电缆旋转缠绕；底座组件外表面设置三个以上手指机构，用于捕获抓捕目标；每个手指机构与所述驱动和控制组件相连，驱动和控制组件能够分别对三个以上手指机构进行独立驱动和控制，使其自适应捕获抓捕目标；每个手指机构上设置信息感知组件，用于监测对应手指机构的转动角度及其与抓捕目标之间的接触力，并反馈给驱动和控制组件，用于驱动和控制组件调节手指机构抓捕的接触力和转动角度；其中，输入电缆用于外部电源向驱动和控制组件供电。
[0008]
优选地，所述底座组件包括：固定外壳、旋转轴承、驱动齿轮，起旋电机和旋转外壳；所述固定外壳的内部空腔和旋转外壳的外表面均为圆柱形，旋转外壳通过旋转轴承同
轴支撑在固定外壳内部，旋转外壳能够相对固定外壳转动；所述起旋电机安装在固定外壳底部，其输出端位于旋转外壳内部且安装有驱动齿轮，驱动齿轮与旋转外壳内壁面上设置的齿槽啮合，起旋电机能够驱动旋转外壳按照预设速度相对固定外壳转动。
[0009]
优选地，所述底座组件还包括：滑环组件，所述滑环组件安装在固定外壳和旋转外壳之间，且其固定端安装在固定外壳上，旋转端套装在旋转外壳的外表面上，输入电缆穿过滑环组件与设置在旋转外壳内部的驱动和控制组件相连。
[0010]
优选地，所述手指机构包括：第一导向轮、转动关节、手指指节和绳索；
[0011]
所述底座组件外表面上伸出三个以上耳板，每个耳板上通过转动关节铰接有一节以上手指指节，转动关节内安装有与其同轴旋转的扭转弹簧，扭转弹簧的扭矩作用方向与手指指节的弯曲方向相反；转动关节的外圆周上设有导向槽，用于对绳索导向；绳索一端固定在手指机构指尖处的手指指节里，另一端依次绕过所有转动关节，最后从手指机构指根处的手指指节伸出，进入底座组件内部，绕过两个以上第一导向轮后固定在对应的驱动和控制组件上；其中，第一导向轮设置在底座组件内部。
[0012]
优选地，所述手指机构还包括：第二导向轮11，每节手指指节中部安装一个以上第二导向轮11，用于对绳索导向。
[0013]
优选地，所述驱动和控制组件包括：电机安装座、电机安装轴承、绕线轮、手指驱动电机和中央控制器；
[0014]
每个手指机构对应一个绕线轮，每个绕线轮固定在对应的手指驱动电机输出轴上，其中，手指驱动电机输出轴端部通过电机安装轴承支撑在电机安装座上，电机安装座固定在底座组件内部，手指驱动电机能够在中央控制器的驱动指令控制下，正向或反向旋转，带动绕线轮旋转，使得绳索相对绕线轮收紧或者放松；当手指驱动电机正向旋转时，带动绕线轮收紧绳索，每根手指机构会逐渐收拢；其中，中央控制器固定在底座组件内部。
[0015]
优选地，所述信息感知组件包括：接触力传感器、触觉信号线、关节角位移传感器、角位移信号线和信号处理器；
[0016]
所述接触力传感器粘贴在每节手指指节的内侧表面，并通过触觉信号线与信号处理器相连，接触力传感器表面受到压力作用时，能够产生与接触力大小成正比的电信号，并经过触觉信号线传输到信号处理器中；关节角位移传感器安装在每个转动关节上，并通过角位移信号线与信号处理器相连，关节角位移传感器能够读取转动关节的转动角度，并通过角位移信号线传输到信号处理器中；信号处理器与驱动和控制组件相连，从而将接触力传感器产生的电信号和关节角位移传感器读取的转动角度传输给驱动和控制组件，用于驱动和控制组件驱动和控制手指机构自适应捕获抓捕目标。
[0017]
有益效果：
[0018]
1、本发明的自适应抓捕消旋装置，克服了现有捕获消旋机构单一驱动、接触冲击力不能控制、且难以调节手指机构形状的不足，提出一种基于手指机构与抓捕目标接触域内指节位移反馈的捕获消旋装置，在对捕获目标的捕获接触过程中，通过安装在手机机构上的信息感知组件获取抓捕过程中各个手指机构的姿态信息，驱动和控制组件能够根据获得的手指机构姿态信息自主调节各个手指机构的驱动力，达到控制手指机构姿态，防止捕获目标逃脱。
[0019]
2、本发明中底座组件的具体设置，能够保证该抓捕消旋装置有效进行自转消旋。
[0020]
3、本发明中滑环组件在底座组件内部的具体设置，使外部电源能够通过设置在滑环组件中的输入电缆为向驱动和控制组件供电，从而减小了装置对外的线路数量，有效提高装置的可靠性。
[0021]
4、本发明中手指机构的具体设置，使每个手指机构自身可转动调节，便于柔性捕获抓捕目标。
[0022]
5、本发明中第二导向轮的具体设置，有利于为手指机构与驱动和控制组件之间的连接进行导向。
[0023]
6、本发明中驱动和控制组件的具体设置，能够在抓捕目标捕获过程中对各个手指机构的驱动力进行独立驱动和控制，对手指机构与抓捕目标接触过程中的接触力和手指指节的位置进行更好的控制。
[0024]
7、本发明中信息感知组件的具体设置，采用在各个手指指节间安装关节角位移传感器，并将监测的信号通过装置内设置的信号处理器反馈到中央控制器中进行处理，有助于驱动和控制组件对手指机构进行调整，防止抓捕目标偏向一侧发生脱离；同时，在各个手指指节接触面上安装接触力传感器，可对手指机构与抓捕目标之间的接触力进行监测和控制，降低接触冲击力以保证捕获过程中的安全。
附图说明
[0025]
图1为本发明抓捕消旋装置的剖视图。
[0026]
图2为本发明抓捕消旋装置的手指形状控制原理图。
[0027]
图3为本发明抓捕消旋装置的接触力控制原理图。
[0028]
其中，1-固定外壳，2-旋转轴承，3-驱动齿轮，4-起旋电机，5-输入电缆，6-滑环组件，7-旋转外壳，8-第一导向轮，9-转动关节，10-手指指节，11-第二导向轮，12-绳索，13-电机安装座，14-电机安装轴承，15-绕线轮，16-手指驱动电机，17-中央控制器，18-接触力传感器，19-触觉信号线，20-关节角位移传感器，21-角位移信号线，22-信号处理器。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0030]
本实施例提供了一种自适应抓捕消旋装置，能够对空间碎片实施捕获并能够控制捕获过程中的接触力大小。
[0031]
如图1所示，该抓捕消旋装置包括：底座组件、手指机构、驱动和控制组件及信息感知组件；其中，底座组件包括：固定外壳1、旋转轴承2、驱动齿轮3，起旋电机4、输入电缆5、滑环组件6和旋转外壳7；手指机构包括：第一导向轮8、转动关节9、手指指节10、第二导向轮11和绳索12；驱动和控制组件包括：电机安装座13、电机安装轴承14、绕线轮15、手指驱动电机16和中央控制器17；信息感知组件包括：接触力传感器18、触觉信号线19、关节角位移传感器20、角位移信号线21和信号处理器22；
[0032]
该抓捕消旋装置的连接关系为：固定外壳1的外表面作为整个装置对外的机械固定接口，固定外壳1的内部空腔和旋转外壳7的外表面均为圆柱形，旋转外壳7通过两个旋转轴承2同轴支撑在固定外壳1内部，旋转外壳7能够相对固定外壳1做持续地整圈旋转运动；起旋电机4安装在固定外壳1底部，其输出端位于旋转外壳7内部且安装有驱动齿轮3，驱动
齿轮3与旋转外壳7内壁面上设置的齿槽啮合，从而通过起旋电机4能够驱动旋转外壳7按照预设速度相对固定外壳1转动；固定外壳1和旋转外壳7之间安装有滑环组件6，滑环组件6的固定端安装在固定外壳1上，旋转端套装在旋转外壳7的外表面上，输入电缆5穿过滑环组件6与设置在旋转外壳7内部的中央控制器17相连，外部电源通过输入电缆5向中央控制器17供电；
[0033]
旋转外壳7上端外表面上伸出三个以上耳板，每个耳板上通过转动关节9铰接有手指机构，每个手指机构中含有一节以上手指指节10，当每个手指机构中含有两节以上手指指节10时，相邻两节手指指节10之间通过转动关节9铰接，转动关节9内安装有与其同轴旋转的扭转弹簧，扭转弹簧的扭矩作用方向与手指指节10的弯曲方向相反，用于保持手指指节10的弯曲状态；转动关节9的外圆周上设有导向槽，用于对绳索12导向，且能够减小绳索12与转动关节9之间的摩擦；每节手指指节10中部安装一个以上第二导向轮11，用于对绳索12进一步导向，同时也能够减小绳索12与转动关节9之间的摩擦；绳索12的一端固定在手指机构指尖处的手指指节10里，另一端依次绕过所有转动关节9和第二导向轮11(相邻两个转动关节9之间设置一个以上第二导向轮11)，最后从手指机构指根处的手指指节10伸出，进入旋转外壳7内部，绕过两个以上第一导向轮8后固定在对应的绕线轮15上；其中，第一导向轮8设置在旋转外壳7内壁面上；
[0034]
每个手指机构对应一个绕线轮15，每个绕线轮15固定在对应的手指驱动电机16输出轴上，其中，手指驱动电机16输出轴端部通过电机安装轴承14支撑在电机安装座13上，电机安装座13固定在旋转外壳7的内壁面上，手指驱动电机16能够在中央控制器17的驱动指令控制下，正向或反向旋转，带动绕线轮15旋转，使得绳索12相对绕线轮15收紧或者放松；当手指驱动电机16正向旋转时，带动绕线轮15收紧绳索12，每根手指机构会逐渐收拢从而实现整体向内弯曲，三组以上手指机构收拢能够捕获空间碎片(抓捕目标)；
[0035]
接触力传感器18粘贴在每节手指指节10的内侧表面，并通过触觉信号线19与信号处理器22相连，接触力传感器18表面受到压力作用时，能够产生与接触力大小成正比的电信号，并经过触觉信号线19传输到信号处理器22中；关节角位移传感器20安装在每个转动关节9上，并通过角位移信号线21与信号处理器22相连，关节角位移传感器20能够读取转动关节9转动的角位移信号，并通过角位移信号线21传输到信号处理器22中；信号处理器22与中央控制器17相连，从而将接触力传感器18产生的电信号和关节角位移传感器20读取的角位移信号处理后传输到中央控制器17中，以便于为中央控制器17控制手指机构做准备。
[0036]
该抓捕消旋装置的工作原理为：如图2所示，在空间碎片捕获过程中，本实施例对手指机构进行的智能控制过程为：在手指机构收拢捕获空间碎片的过程中，根据卫星摄像机的图像，可以判断每根手指机构与空间碎片的相对位置并传输给中央控制器17；同时，每个关节角位移传感器20能够测出对应转动关节9的转动角度，并传入中央控制器17，中央控制器17经过处理就能够得到空间碎片与三个以上手指机构形成的包络空间之间的相对位置，并能够向各个手指机构对应的手指驱动电机16发出指令，使得相对空间碎片距离较近的手指机构以较慢的速度收拢，而相对空间碎片距离较远的手指机构以较快的速度收拢，这种各个手机机构独立驱动方式，能够更好地控制空间碎片抓捕过程中空间碎片与抓捕消旋装置之间的相对位置，从而降低空间碎片从抓捕消旋装置中脱离的可能性；
[0037]
本实施例对接触力的调整的工作过程为：令所有手指机构与空间碎片接触所形成
的包络空间为接触域，当手指机构收拢到与被捕获的空间碎片发生接触时，只要发生接触的位置，对应的接触力传感器18都会给出接触力大小对应的电信号；同时，每个关节角位移传感器20能够测出对应转动关节9的角位移信号(转动角度)，这些信号传入中央控制器17中，经过处理就能够得到各个手指机构与空间碎片发生接触位置的接触力大小、接触力方向和接触点空间位置，如图3所示，用箭头给出了接触力的示意，箭头方向表示接触力方向，箭头长度表示接触力大小，中央控制器17根据接触力大小、接触力方向和接触点空间位置，发出指令，使得接触力较大的手指机构对应的手指驱动电机16输出扭矩减小，降低接触过程中的接触力，而接触力较小的手指机构对应的手指驱动电机16输出扭矩增大，增大接触过程中的接触力，防止接触力不足使得空间碎片发生脱离；
[0038]
起旋电机4动作，能够驱动旋转外壳7及其上安装的手指机构、驱动和控制组件及信息感知组件相对固定外壳1旋转，使得该抓捕消旋装置在捕获具有自旋运动的目标时，能够旋转至与目标自旋速度接近的速度再进行收拢捕获，因此，本实施例能够抓捕具有自旋运动的空间碎片；在该抓捕消旋装置旋转过程中，手指机构、驱动和控制组件及信息感知组件之间不发生相对转动，因此，避免了该抓捕消旋装置内部线缆之间的整圈旋转问题，简化了内部线路的设计，增强了该抓捕消旋装置的可靠性。
[0039]
进一步地，手指机构中手指指节10的节数越多对捕获空间碎片的形状适应性越好，但也需要更多的接触力传感器18和关节角位移传感器20以及更高的数据处理能力。
[0040]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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