本發(fā)明專利涉及一種捕獲及消旋機(jī)構(gòu)，能夠?qū)ψ孕目臻g碎片實(shí)施捕獲并使其自旋運(yùn)動(dòng)停止，屬于空間機(jī)構(gòu)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近地軌道上殘留了大量的空間碎片，嚴(yán)重威脅航天活動(dòng)。由于空間碎片無自主控制能力，因此都具有一定的自旋速度，其外輪廓形狀、大小也多種多樣，不具有通用的捕獲接口。

國內(nèi)，中國專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310503724.3的發(fā)明“繩網(wǎng)式空間碎片抓捕與清除系統(tǒng)”公開了一種繩網(wǎng)式的空間碎片清理系統(tǒng)。中國專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210228365.0的發(fā)明“一種基于薄壁式伸展臂的繩網(wǎng)展開裝置”公開了另一種繩網(wǎng)式的空間碎片捕獲裝置。上述兩種發(fā)明均采用繩網(wǎng)形式捕獲空間碎片，雖然對(duì)空間碎片的外形、大小適應(yīng)性較好，但如果空間碎片自旋速度很快或自旋能量較大時(shí)，上述兩種發(fā)明消除空間碎片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的能力有限。并且，上述兩種發(fā)明屬于一次性工作機(jī)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)重復(fù)捕獲。

另一篇文獻(xiàn)中(李新剛裴勝偉.國外航天器在軌捕獲技術(shù)綜述，航天器工程，2013，22(1)：113-119)歸納了國外航天器捕獲的主要方式為：利用伸縮桿捕獲衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管；利用飛網(wǎng)或飛爪捕獲；利用機(jī)械臂捕獲衛(wèi)星的特定結(jié)構(gòu)。其中，除飛網(wǎng)或飛爪對(duì)捕獲對(duì)象外形無特殊要求外，其他捕獲方式都只能對(duì)特定的結(jié)構(gòu)才能實(shí)施捕獲，對(duì)捕獲對(duì)象外形的適應(yīng)性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有捕獲機(jī)構(gòu)對(duì)空間碎片自旋轉(zhuǎn)動(dòng)適應(yīng)性的不足，提出了一種由旋轉(zhuǎn)和固定兩部分組成的機(jī)構(gòu)，具有抓取功能的機(jī)構(gòu)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)部分的前端，在對(duì)空間碎片捕獲前，對(duì)準(zhǔn)其自旋軸，相對(duì)固定部分開始旋轉(zhuǎn)，在達(dá)到與空間碎片同樣的轉(zhuǎn)速后再實(shí)施捕獲。捕獲完成后，通過旋轉(zhuǎn)部分與固定部分之間的摩擦力和阻尼力，消耗空間碎片的旋轉(zhuǎn)能量。

本發(fā)明進(jìn)一步解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有捕獲機(jī)構(gòu)對(duì)空間碎片外輪廓形狀、大小適應(yīng)性的不足，提出一種基于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理的多爪式捕獲機(jī)構(gòu)，在捕獲過程中對(duì)不同形狀、大小的空間碎片具有一定的自適應(yīng)性，并且具有重復(fù)捕獲的能力。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種適用于自旋空間碎片的捕獲消旋機(jī)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)部分和固定部分；

所述旋轉(zhuǎn)部分包括旋轉(zhuǎn)外殼、繩索、第一導(dǎo)向輪、手指機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向錐，所述固定部分包括固定外殼、第一動(dòng)力源、第二動(dòng)力源、導(dǎo)桿、下安裝座、滑塊、驅(qū)動(dòng)輪、螺母、絲杠，旋轉(zhuǎn)外殼與固定外殼通過第一軸承裝配在一起；

固定外殼內(nèi)安裝第一動(dòng)力源、第二動(dòng)力源和下安裝座；

第二動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)端與驅(qū)動(dòng)輪連接，驅(qū)動(dòng)輪與旋轉(zhuǎn)外殼的內(nèi)壁接觸并傳遞扭矩；

絲杠通過第三軸承固定，絲杠末端與第一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)端相連；

螺母與絲杠裝配在一起，沿著導(dǎo)桿平行移動(dòng)；

旋轉(zhuǎn)外殼內(nèi)壁設(shè)有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，滑塊與螺母之間通過第四軸承連接，滑塊沿著導(dǎo)向結(jié)構(gòu)平行移動(dòng)；

滑塊上固定繩索，繩索繞過第一導(dǎo)向輪，伸入手指機(jī)構(gòu)中，手指機(jī)構(gòu)根部與旋轉(zhuǎn)外殼之間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；

導(dǎo)向錐安裝在旋轉(zhuǎn)外殼前端，內(nèi)側(cè)平面安裝第一導(dǎo)向輪。

所述手指機(jī)構(gòu)每兩節(jié)手指之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)內(nèi)安裝有同軸旋轉(zhuǎn)的扭簧彈簧，其扭矩作用方向與使手指機(jī)構(gòu)整體彎曲的方向相反，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)外部為帶槽的輪子；每節(jié)手指內(nèi)部安裝有第二導(dǎo)向輪；繩索的一端固定在手指機(jī)構(gòu)指尖的第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)里，從指尖第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)向后面的關(guān)節(jié)逐個(gè)纏繞過所有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和第二導(dǎo)向輪，使繩索收緊時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，使各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)向內(nèi)側(cè)彎曲，繩索最后從指根伸出，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)外殼中。

所述手指機(jī)構(gòu)包括至少兩根手指，每兩根相對(duì)布置，收攏時(shí)相互交叉。

所述手指機(jī)構(gòu)設(shè)置為四根。

所述每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)內(nèi)扭轉(zhuǎn)彈簧之間的剛度大小均有差異，使轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)按剛度小的先彎曲的順序先后彎曲。

所述第一導(dǎo)向輪為直徑大小不同的兩個(gè)同軸連體滑輪，繩索分成兩段，與滑塊連接的一段纏繞在直徑較小的輪子上并固定，繩索的另一段纏繞在直徑較大的輪子上并固定，形成具有一定傳動(dòng)比的輪組。

所述絲杠中心與旋轉(zhuǎn)軸線同心。

所述導(dǎo)桿數(shù)量最少兩根。

所述固定部分還包括上安裝座，上安裝座通過導(dǎo)桿與下安裝座連接。

所述固定部分還包括第二軸承，絲杠通過第二軸承和第三軸承固定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明提出了一種可捕獲自旋空間碎片的捕獲消旋機(jī)構(gòu)，采用可高速旋轉(zhuǎn)的“手指”機(jī)構(gòu)，可對(duì)較高自旋速度的空間碎片進(jìn)行捕獲；采用電機(jī)反驅(qū)動(dòng)力矩和內(nèi)部摩擦力或阻尼力，捕獲空間碎片后可使其自旋運(yùn)動(dòng)停止。

(2)本發(fā)明提出了一種外輪廓自適應(yīng)性捕獲機(jī)構(gòu)，采用聯(lián)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)形式的“手指機(jī)構(gòu)”，并成對(duì)、交叉布置，可對(duì)不同外輪廓形狀、大小的空間碎片進(jìn)行捕獲，并且具有重復(fù)捕獲能力。

(3)本發(fā)明提出了一種捕獲自旋空間碎片的捕獲消旋機(jī)構(gòu)，由旋轉(zhuǎn)和固定兩部分組成，采用繩索驅(qū)動(dòng)“手指機(jī)構(gòu)”，使做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件均不需連接電纜或氣、液管路等易損部件，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性高。

(4)本發(fā)明提出了一種捕獲自旋空間碎片的捕獲消旋機(jī)構(gòu)，采用絲杠-螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的多組欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，增力效果較好，可輸出較大的抓取力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的剖視圖；

圖2a是本發(fā)明每根手指機(jī)構(gòu)原理圖；

圖2b是本發(fā)明每根手指機(jī)構(gòu)彎曲后的示意圖；

圖3是本發(fā)明最小包絡(luò)示意圖；

圖4是本發(fā)明最大展開姿態(tài)示意圖；

圖5a、圖5b是本發(fā)明機(jī)構(gòu)收攏過程示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明捕獲消旋機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)部分和固定部分兩者組成，旋轉(zhuǎn)部分與固定部分由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可持續(xù)地相對(duì)整圈旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)外殼與固定外殼通過第一軸承裝配在一起。在圖1所示實(shí)例中，旋轉(zhuǎn)外殼4與固定外殼10通過第一軸承9裝配在一起。固定外殼10內(nèi)安裝第一電機(jī)11、第二電機(jī)20和下安裝座8。第二電機(jī)20前端與驅(qū)動(dòng)輪19連接，驅(qū)動(dòng)輪的另一端與旋轉(zhuǎn)阻尼器18連接，旋轉(zhuǎn)部分與固定部分由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可持續(xù)地相對(duì)整圈旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)輪19與旋轉(zhuǎn)外殼4的內(nèi)壁接觸并傳遞扭矩。上安裝座1通過導(dǎo)桿3與下安裝座8連接。絲杠7通過第二軸承2和第三軸承17固定。絲杠7末端與第一電機(jī)11相連。螺母6與絲杠7裝配在一起，并被導(dǎo)桿3限制與下安裝座8之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)桿3數(shù)量最少兩根。旋轉(zhuǎn)外殼4內(nèi)壁設(shè)有長條狀導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；滑塊16與螺母之間通過第四軸承5連接，并被旋轉(zhuǎn)外殼4內(nèi)壁的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)限制與旋轉(zhuǎn)外殼4之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)?；瑝K16上固定著所有繩索15。繩索繞過第一導(dǎo)向輪13，伸入手指機(jī)構(gòu)14中。手指機(jī)構(gòu)14根部與旋轉(zhuǎn)外殼之間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。導(dǎo)向錐12安裝在旋轉(zhuǎn)外殼4前端，內(nèi)側(cè)平面安裝第一導(dǎo)向輪13。

圖2a顯示了每根手指機(jī)構(gòu)14由五節(jié)構(gòu)成。五節(jié)是圖示實(shí)例的數(shù)量，手指機(jī)構(gòu)14最少一節(jié)，節(jié)數(shù)越多，對(duì)包裹其內(nèi)的物體表面接觸點(diǎn)越多，形狀自適應(yīng)性越好。每兩節(jié)手指之間由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)21連接，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)21內(nèi)安裝有同軸旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)彈簧，扭矩作用方向與使手指機(jī)構(gòu)14整體彎曲的方向相反。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)21外部為帶槽的輪子，起到對(duì)繩索的導(dǎo)向、減小摩擦作用。每節(jié)手指內(nèi)部安裝一至兩個(gè)第二導(dǎo)向輪22，也是對(duì)繩索起到導(dǎo)向、減小摩擦作用。繩索的一端固定在手指機(jī)構(gòu)14指尖的第一個(gè)關(guān)節(jié)里，按照?qǐng)D示順序纏繞過所有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)21和第二導(dǎo)向輪22，最后從指根伸出，進(jìn)入圖1所示的旋轉(zhuǎn)外殼4里。當(dāng)向手指機(jī)構(gòu)外部方向拉動(dòng)繩索15時(shí)，手指機(jī)構(gòu)14會(huì)整體彎曲成圖2b所示形狀。繩索對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)21產(chǎn)生的扭矩，與轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)21外部的輪子直徑有關(guān)，直徑越大，在相同繩索拉力下，產(chǎn)生的扭矩也越大。通過設(shè)計(jì)每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)21內(nèi)扭轉(zhuǎn)彈簧之間的剛度大小差異，可使轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)21按照預(yù)定的順序先后彎曲。所有“手指”成對(duì)、交叉布置，收攏時(shí)可“握住”不同大小的物體。所有“手指”的繩索都固定到一個(gè)滑塊上，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。此滑塊位于旋轉(zhuǎn)部分內(nèi)部，可沿旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)旋轉(zhuǎn)部分平動(dòng)，但不能相對(duì)旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)。此滑塊由絲杠-螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，與螺母之間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。絲杠-螺母機(jī)構(gòu)安裝在固定部分里，絲杠中心與旋轉(zhuǎn)軸線同心。

圖3顯示的實(shí)例中，旋轉(zhuǎn)外殼4外，布置了四根手指機(jī)構(gòu)14，每兩根相對(duì)布置，收攏時(shí)相互交叉。本發(fā)明手指機(jī)構(gòu)14的數(shù)量最少為兩根，數(shù)量上限由結(jié)構(gòu)大小和實(shí)際需求決定。四根手指機(jī)構(gòu)14是優(yōu)化后的數(shù)量，既能適應(yīng)大部分典型外形的抓取，重量代價(jià)和機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度也適中。圖3是本發(fā)明收攏到極限時(shí)的狀態(tài)，外形包絡(luò)相對(duì)圖4所示的全展開狀態(tài)小很多，對(duì)存儲(chǔ)和發(fā)射十分有利。

本發(fā)明的工作過程為：捕獲開始前，本發(fā)明首先將自身旋轉(zhuǎn)軸線盡量對(duì)準(zhǔn)自旋空間碎片的旋轉(zhuǎn)軸線。第一電機(jī)11加電，驅(qū)動(dòng)絲杠7轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺母6和滑塊16向上安裝座1方向平動(dòng)，所有手指機(jī)構(gòu)14同時(shí)張開到圖4所示狀態(tài)。第二電機(jī)20加電，驅(qū)動(dòng)輪19通過摩擦力使旋轉(zhuǎn)外殼4相對(duì)固定外殼10開始旋轉(zhuǎn)，所有手指機(jī)構(gòu)14和滑塊16一同旋轉(zhuǎn)，而螺母6不旋轉(zhuǎn)。開始捕獲時(shí)，絲杠7反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺母6和滑塊16向下安裝座8方向平動(dòng)，所有手指機(jī)構(gòu)14依次收攏成圖5a、圖5b所示狀態(tài)，使空間碎片無法逃脫，完成捕獲。在捕獲過程中導(dǎo)向錐12起到輔助導(dǎo)向作用。在圖5b中，手指機(jī)構(gòu)14兩兩交錯(cuò)，可適應(yīng)不同大小的空間碎片。第二電機(jī)20根據(jù)實(shí)際需要在捕獲開始前、捕獲過程中或捕獲完成后停止加電。在捕獲完成后，由于空間碎片與本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)軸線不是嚴(yán)格同軸，因此空間碎片在手指機(jī)構(gòu)14的包裹下會(huì)以一定的頻率扭擺，并與手指機(jī)構(gòu)14朝向空間碎片的一側(cè)表面不斷碰撞、摩擦。旋轉(zhuǎn)外殼4和固定外殼10之間的摩擦力、第二電機(jī)20的反驅(qū)阻力和旋轉(zhuǎn)阻尼器18的阻尼力會(huì)通過手指機(jī)構(gòu)14傳遞給空間碎片，使其自旋速度不斷降低，最終停止旋轉(zhuǎn)。

如果手指機(jī)構(gòu)14節(jié)數(shù)較多時(shí)，收攏時(shí)繩索15需要從手指機(jī)構(gòu)14中拉出的長度較長，要求螺母6的行程也較長?？梢詫⒌谝粚?dǎo)向輪13設(shè)計(jì)成直徑大小不同的兩個(gè)固定在一起的輪子。繩索15分成2段，與滑塊16連接的一段纏繞在直徑較小的輪子上并固定，繩索15的另一段纏繞在直徑較大的輪子上并固定，形成了具有一定傳動(dòng)比的輪組。此設(shè)計(jì)可使螺母6的行程縮短，使本發(fā)明軸向尺寸更加緊湊。

本發(fā)明中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主要部件為旋轉(zhuǎn)外殼4、導(dǎo)向錐12、手指機(jī)構(gòu)14、滑塊16等。做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件重量比重不到本發(fā)明總重量的一半，并且做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件均不需連接電纜或氣、液管路等易損部件，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性高。手指機(jī)構(gòu)14的繩索15拉力由絲杠-螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，增力效果較好，可對(duì)空間碎片施加較大的抓取力。

本發(fā)明中第二軸承2、第四軸承5、第一軸承9和第三軸承17可由滑動(dòng)軸承取代或取消，將兩相鄰部件直接以孔軸配合方式裝配。驅(qū)動(dòng)輪19與固定外殼10之間利用接觸摩擦傳遞扭矩，可以用齒輪嚙合方式傳遞扭矩代替。本發(fā)明中上安裝座1及第二軸承2可取消，不影響本發(fā)明功能的實(shí)現(xiàn)，但導(dǎo)桿3的抗扭轉(zhuǎn)能力會(huì)下降。旋轉(zhuǎn)阻尼器18可取消，不影響本發(fā)明功能的實(shí)現(xiàn)，但消除旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的阻力會(huì)減小。

旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力可采用電機(jī)或其他動(dòng)力源提供，電機(jī)安裝在固定部分里，通過輪子與旋轉(zhuǎn)部分內(nèi)壁接觸傳遞扭矩，電機(jī)的在捕獲完成后斷電，電機(jī)的反驅(qū)力矩和機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力或阻尼力成為阻力，最終會(huì)使空間碎片及旋轉(zhuǎn)部分都停止旋轉(zhuǎn)。

絲杠7的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力可采用電機(jī)或其他動(dòng)力源提供，電機(jī)安裝在固定部分里。絲杠-螺母機(jī)構(gòu)不隨旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)。螺母6相對(duì)固定部分的旋轉(zhuǎn)自由度被限制。當(dāng)旋轉(zhuǎn)部分開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定繩索15的滑塊16相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的所有相對(duì)固定部分旋轉(zhuǎn)的部件都不含動(dòng)力源，避免了如電線、氣路、液路等管線的整圈旋轉(zhuǎn)問題。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。