一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置及其工作方法与流程

2021-02-14 01:02:05|

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本发明涉及太空碎片抓捕和航天工程领域，尤其涉及一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置及其工作方法。

背景技术：

空间非合作碎片的特点是形状并不规则，没有用于辅助测量的标识器或特征块；同时，其运动也十分复杂，既有绕单轴的自旋运动又有因存在章动角而产生的翻滚运动，其姿态高度不稳定，并具有较大的机械冲量。所以，空间非合作碎片是当下太空环境治理的顽疾。

飞网展开面积大，具有一定柔性，可以实现“面对点”的捕获，是捕获空间非合作碎片的研究热点。但折叠飞网的展开需要质量块的牵引，被发射装置弹出后质量块作平动和绕质心转动的复合运动。质量块的转动可能会引起网体的交叉、缠绕和自碰撞，影响飞网的展开和对目标碎片的包裹。此外，由于没有消旋，非合作空间碎片与展开的飞网之间必然存在角速度差。在碎片与飞网的接触阶段，自旋、翻滚的碎片可能会发生逃逸。最后，飞网通过柔性系绳与母星建立连接，离开发射机构后难以进行二次机动，无法根据碎片的逃逸路径进行姿态修正，存在非合作空间碎片漏网的风险。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置，包括球笼、常平架组件、连接件和机械臂；

所述球笼为空心球体，包含笼盖、笼身和旋转电机；所述旋转电机固定在笼身开口处、输出轴和笼盖开口处垂直固连，用于打开或闭合笼盖；

所述常平架组件用于控制球笼的开口方向并在捕获非合作碎片后使得球笼和机械臂之间不发生角动量转移，常平架组件包括第一调整圆环、第二调整圆环、以及第一至第四离合转轴；

所述球笼、第一调整圆环、第二调整圆环的圆心重合且直径依次增大；

所述第一至第四离合转轴结构相同，均包含限位筒、导向轴、从动盘、m个联动销、主动盘、超声电机、弹簧和匚形框，m为大于等于2的自然数，其中：

所述匚形框为对称结构，包含一个底边和两个侧边，两个侧边的一端分别和底边的两端垂直固连，且底边中心设有供超声电机输出轴穿过的通孔；

所述超声电机固定在匚形框的底边上，超声电机的输出轴穿过底边中心的通孔伸入匚形框内；

所述限位筒为圆柱体；所述导向轴和限位筒的一个端面同轴固连，且限位筒和导向轴固连的端面上绕导向轴周向均匀设有m个限位扇形槽；

所述从动盘为圆柱体，其沿轴线设有供所述导向轴穿过的通孔；

所述m个联动销均呈条状，周向均匀的设置在从动盘的一个端面上、一端和从动盘的端面垂直固连；所述从动盘的另一个端面上周向均匀设有若干棘齿、形成棘轮；

所述主动盘为圆柱体，一个端面上设有若干和所述从动盘上棘齿一一对应的棘槽，另一个端面和超声电机的输出轴同轴固连；所述从动盘上的棘齿和主动盘上的棘槽对应啮合；

所述限位筒、匚形框均和外界固连，相对位置不变；所述导向轴远离限位筒的一端伸入从动盘上的通孔中、和其间隙配合，使得导向轴和从动盘之间能够自由转动和滑动；所述弹簧套在限位筒上，一端和外界相抵，另一端和从动盘远离主动盘的一端相抵；

所述m个联动销和限位筒上m个限位扇形槽一一对应；当超声电机正向工作时，带动主动盘转动，主动盘上的棘槽压迫从动盘上的棘齿，使得从动盘转动的同时沿导向轴滑动、压缩弹簧，进而使得m个联动销一一对应插入限位筒上m个限位扇形槽，此时从动盘被锁死、通过m个联动销带动限位筒转动，实现离合器转轴的闭合动作；当超声电机反向工作时，在压缩弹簧的弹力作用下从动盘复位、从动盘与主动盘呈啮合状态，m个联动销脱离其对应的限位扇形槽，从动盘相对导向轴转动，限位筒上无扭转力施加，实现离合转动的断开动作；由于超声电机具有断电自锁的功能，当超声电机不工作时，所述离合转轴会保持先前的开闭状态；

所述第一调整圆环上设有对称的第一安装通孔、第二安装通孔，且第一安装通孔、第二安装通孔内分别设有第一轴承、第二轴承，所述第一轴承、第二轴承同轴且第一轴承、第二轴承的外圈均和第一调整圆环固连；

所述第二调整圆环上设有对称的第三安装通孔、第四安装通孔，且第三安装通孔、第四安装通孔内分别设有第三轴承、第四轴承，所述第三轴承、第四轴承同轴且第三轴承、第四轴承的外圈均和第二调整圆环固连；

所述第一轴承的轴线垂直于第三轴承的轴线；

所述第一离合转轴的匚形框两端和第一调整圆环的外壁固连，第一离合转轴的限位筒远离其导向轴的一端穿过第一轴承内圈后和笼身的外壁固连，且第一离合转轴的限位筒和第一轴承的内圈固连，第一离合转轴的弹簧远离其从动盘的一端和第一调整圆环的外壁相抵；

所述第二离合转轴的匚形框两端和第一调整圆环的外壁固连，第二离合转轴的限位筒远离其导向轴的一端穿过第二轴承内圈后和笼身的外壁固连，且第二离合转轴的限位筒和第二轴承的内圈固连，第二离合转轴的弹簧远离其从动盘的一端和第一调整圆环的外壁相抵；

所述第三离合转轴的匚形框两端和第二调整圆环的外壁固连，第三离合转轴的限位筒远离其导向轴的一端穿过第三轴承内圈后和第二调整圆环的外壁固连，且第三离合转轴的限位筒和第三轴承的内圈固连，第三离合转轴的弹簧远离其从动盘的一端和第二调整圆环的外壁相抵；

所述第四离合转轴的匚形框两端和第二调整圆环的外壁固连，第四离合转轴的限位筒远离其导向轴的一端穿过第四轴承内圈后和第二调整圆环的外壁固连，且第四离合转轴的限位筒和第四轴承的内圈固连，第四离合转轴的弹簧远离其从动盘的一端和第二调整圆环的外壁相抵；

所述机械臂一端固定、另一端通过连接件和所述第二调整圆环固连，用于将常平架组件送至预设的坐标处。

作为本发明一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置进一步的优化方案，所述球笼的笼盖和笼身均采用镂空结构形式，以减轻系统重量。

作为本发明一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置进一步的优化方案，所述球笼的笼盖和笼身在其外壁上粘贴有若干用于发电的压电元件。

作为本发明一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置进一步的优化方案，所述连接件包含第一固定柱、第二固定柱、第一连接杆、第二连接杆，其中，第一固定柱、第二固定柱对称设置在第二调整圆环的外壁上，第一固定柱、第二固定柱一端均和第二调整圆环的外壁固连且第一固定柱、第二固定柱均和所述第一轴承同轴；所述第一连接杆一端和第一固定柱的另一端固连，第一连接杆的另一端和机械臂固连；所述第二连接杆一端和第二固定柱的另一端固连，第二连接杆的另一端和机械臂固连。

本发明还公开了一种该用于空间非合作碎片捕获的笼型装置的空间非合作碎片捕获方法，包括以下步骤：

步骤1），控制第一至第四离合转轴的超声电机正向工作，使得第一调整圆环、第二调整圆环共面；

步骤2），控制机械臂移动常平架组件，使得球笼中心的坐标移动至预设的坐标处；

步骤3），控制第一至第四离合转轴的超声电机正向工作，使得球笼的笼身的开口对准空间非合作碎片；

步骤4），控制旋转电机工作、打开上述球笼的笼盖，让空间非合作碎片进入；

步骤5），待空间非合作碎片完全进入上述笼身后，控制笼身上的旋转电机工作，关闭笼盖；控制第一至第四离合转轴的超声电机反向工作，所述第一至第四离合转轴切换至断开状态，完成空间非合作碎片的捕获。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.在笼盖打开后，笼身开口允许翻滚非合作碎片进入，及时关闭笼盖能够防止碎片逃逸，在无需识别非合作碎片具体姿态的情况下，完成对非合作碎片的捕获；

2.本发明所提出的空间非合作碎片捕获装置及其工作方法，在完成捕获前无需对空间非合作碎片的进行消旋；

3.本发明所引入的常平架组件可以避免碎片对球笼的碰撞力传递到母星导致失稳；

4.球腔外壁上布满了压电元件，封口、捕获完成后，利用压电元件的正压电效应将非合作碎片与笼式球腔之间的碰撞能转化为电能进行收集，在止翻、消旋的同时还可用于发电。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中球笼闭合的结构示意图；

图3是本发明中球笼打开的结构示意图；

图4是本发明中限位筒和导向轴相配合的结构示意图；

图5是本发明中第一离合转轴中去除匚形框后的结构示意图；

图6是本发明中第一离合转轴中超声电机正向工作时的形变示意图；

图7是本发明中限位筒、导向轴、从动盘、联动销相配合的结构示意图；

图8是第一调整圆环、第二调整圆环、第一至第四离合转轴的匚形框相配合的结构示意图；

图9是球笼外壁粘贴压电陶瓷片的结构示意图。

图中，1-球笼，2-常平架组件，3-连接件，4-机械臂，5-笼盖，6-笼身，7-限位筒，8-导向轴，9-限位扇形槽，10-超声电机，11-主从盘，12-从动盘，13-联动销，14-压簧，15-第一调整圆环，16-第二调整圆环，17-第一安装通孔，18-第二安装通孔，19-第三安装通孔，20-第四安装通孔，21-第一离合转轴的匚形框，22-第二离合转轴的匚形框，23-第三离合转轴的匚形框，24-第四离合转轴的匚形框。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置，包括球笼、常平架组件、连接件和机械臂。

如图2、图3所示，所述球笼为空心球体，包含笼盖、笼身和旋转电机；所述旋转电机固定在笼身开口处、输出轴和笼盖开口处垂直固连，用于打开或闭合笼盖。

所述常平架组件用于控制球笼的开口方向并在捕获非合作碎片后使得球笼和机械臂之间不发生角动量转移，常平架组件包括第一调整圆环、第二调整圆环、以及第一至第四离合转轴。

所述球笼、第一调整圆环、第二调整圆环的圆心重合且直径依次增大。

所述第一至第四离合转轴结构相同，均包含限位筒、导向轴、从动盘、m个联动销、主动盘、超声电机、弹簧和匚形框，m为大于等于2的自然数，其中：

所述匚形框为对称结构，包含一个底边和两个侧边，两个侧边的一端分别和底边的两端垂直固连，且底边中心设有供超声电机输出轴穿过的通孔；

所述超声电机固定在匚形框的底边上，超声电机的输出轴穿过底边中心的通孔伸入匚形框内；

所述限位筒为圆柱体；所述导向轴和限位筒的一个端面同轴固连，且限位筒和导向轴固连的端面上绕导向轴周向均匀设有m个限位扇形槽，如图4所示；

所述从动盘为圆柱体，其沿轴线设有供所述导向轴穿过的通孔；

所述限位筒、匚形框均和外界固连，相对位置不变；所述导向轴远离限位筒的一端伸入从动盘上的通孔中、和其间隙配合，使得导向轴和从动盘之间能够自由转动和滑动；所述弹簧套在限位筒上，一端和外界相抵，另一端和从动盘远离主动盘的一端相抵，如图5所示；

所述m个联动销和限位筒上m个限位扇形槽一一对应；当超声电机正向工作时，带动主动盘转动，主动盘上的棘槽压迫从动盘上的棘齿，使得从动盘转动的同时沿导向轴滑动、压缩弹簧，如图6所示，进而使得m个联动销一一对应插入限位筒上m个限位扇形槽，此时从动盘被锁死、通过m个联动销带动限位筒转动，实现离合器转轴的闭合动作，如图7所示；当超声电机反向工作时，在压缩弹簧的弹力作用下从动盘复位、从动盘和主动盘呈啮合状态，m个联动销脱离其对应的限位扇形槽，从动盘相对导向轴转动，限位筒上无扭转力施加，实现离合转动的断开动作；由于超声电机具有断电自锁的功能，当超声电机不工作时，所述离合转轴会保持先前的开闭状态。

如图8所示，所述第一调整圆环上设有对称的第一安装通孔、第二安装通孔，且第一安装通孔、第二安装通孔内分别设有第一轴承、第二轴承，所述第一轴承、第二轴承同轴且第一轴承、第二轴承的外圈均和第一调整圆环固连；

第二调整圆环设有对称的第三安装通孔、第四安装通孔，且第三安装通孔、第四安装通孔内分别设有第三轴承、第四轴承，所述第三轴承、第四轴承同轴且第三轴承、第四轴承的外圈均和第二调整圆环固连；

所述第一轴承的轴线垂直于第三轴承的轴线；

所述第四离合转轴的匚形框两端和第二调整圆环的外壁固连，第四离合转轴的限位筒远离其导向轴的一端穿过第四轴承内圈后和第二调整圆环的外壁固连，且第四离合转轴的限位筒和第四轴承的内圈固连，第四离合转轴的弹簧远离其从动盘的一端和第二调整圆环的外壁相抵。

所述机械臂一端固定、另一端通过连接件和所述第二调整圆环固连，用于将常平架组件送至预设的坐标处。

所述球笼的笼盖和笼身均采用镂空结构形式，以减轻系统重量。

如图9所示，所述球笼的笼盖和笼身在其外壁上粘贴有若干用于发电的压电陶瓷片，封口、捕获完成后，利用压电元件的正压电效应将非合作碎片与笼式球腔之间的碰撞能转化为电能进行收集，在止翻、消旋的同时还可用于发电。

所述连接件包含第一固定柱、第二固定柱、第一连接杆、第二连接杆，其中，第一固定柱、第二固定柱对称设置在第二调整圆环的外壁上，第一固定柱、第二固定柱一端均和第二调整圆环的外壁固连且第一固定柱、第二固定柱均和所述第一轴承同轴；所述第一连接杆一端和第一固定柱的另一端固连，第一连接杆的另一端和机械臂固连；所述第二连接杆一端和第二固定柱的另一端固连，第二连接杆的另一端和机械臂固连。

本发明还公开了一种该用于空间非合作碎片捕获的笼型装置的空间非合作碎片捕获方法，包括以下步骤：

步骤1），控制第一至第四离合转轴的超声电机正向工作，使得第一调整圆环、第二调整圆环共面；

步骤2），控制机械臂移动常平架组件，使得球笼中心的坐标移动至预设的坐标处；

步骤3），控制第一至第四离合转轴的超声电机正向工作，使得球笼的笼身的开口对准空间非合作碎片；

步骤4），控制笼身上的旋转电机工作、打开上述球笼的笼盖，让空间非合作碎片进入；

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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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