基于可重组绳系编队飞行的空间绳网捕获系统的制作方法

本发明涉及空间绳网捕获系统，尤其是涉及一种基于可重组绳系编队飞行的空间绳网捕获系统。

背景技术：

为适应未来故障航天器、空间碎片等非合作目标捕获任务的需求，柔性捕获的概念逐渐进入人们的视野，并成为近年来研究的热点之一。柔性捕获概念是近年提出的新型抓捕方式，以网或布等柔性结构覆盖、包裹目标物并通过柔性连接物（如绳索）与任务航天器形成可靠连接的组合体。传统绳网捕获系统多是基于“任务平台+连接系绳+绳网+被动质量块”的结构，通过任务平台将牵引质量块发射进而牵引展开绳网，完成对目标物的包裹与捕获。由于质量块不具备自主机动功能，绳网的最大展开面积与保持时间过于依赖于质量块的发射速度、角度及质量块的质量等因素，对发射提出了很高的要求，而且其捕获距离和机动性都具有一定的制约性。

技术实现要素：

以空间绳网捕获机器人为应用背景，针对传统绳网捕获系统存在的发射要求高、捕获距离短及机动性差等问题，本发明的目的在于提供一种基于可重组绳系编队飞行的空间绳网捕获系统，采用四个具有弹射分离与对接组合功能的子机构，结合收口绳进行空间编队飞行，通过编队构形的变化并结合系绳收放控制实现绳网的展开、保持与收缩锁死等操作。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的空间绳网捕获系统，包括可重组机构、柔性平面绳网和收口绳，可重组机构由四个结构相同的子机构构成，每个子机构均包括弹射-对接部件和系绳控制部件；

所述弹射-对接部件，包括：锥筒、四根弹簧、四根导轨、锥杆和外壳；在外壳内，锥筒大端安装在外壳的左侧板外侧，四根导轨垂直均布在外壳的中间板侧面上，每根弹簧均套于各自导轨的导轨杆上，导轨杆的端部与锥筒大端的端面连接，每根弹簧两端分别由导轨的凸台与锥筒的端面进行限位，锥杆大端固定在外壳的后板外的中心处；

所述系绳控制部件，包括：编码器、电磁刹车、伺服电机、张力传感器、减速器、第一轴承座、卷绳筒、第二轴承座、辅助导轮、张力测量轮、绳长测量轮、张力预紧器、走绳板、底板和绳长编码器。

在外壳内，编码器与电磁刹车的一端连接，电磁刹车的另一端与伺服电机的一端连接，伺服电机的另一端与减速器的一端连接，减速器的另一端固定在第一轴承座上，减速器输出轴穿过第一轴承座轴承内圈经卷绳筒中心孔与第二轴承座轴承内圈转动连接，第一轴承座与第二轴承座的底部均安装在底板上表面，底板上垂直装有走绳板，走绳板与锥筒轴线平行，走绳板从左至右依次安装有张力预紧器、带有绳长测量轮的绳长编码器、带有张力测量轮的张力传感器及辅助轮；

收口绳的一端从外壳外由锥筒中心孔进入后，依次经过张力预紧器、绳长测量轮、张力测量轮和辅助导轮后，固定在卷绳筒内壁处，收口绳的另一端与相邻一套子机构的锥杆的中部连接；

柔性平面绳网是一张能展开的正方形网，柔性平面绳网的四周均布有绳环，四周的绳环分别空套在四个子机构之间的收口绳中，通过收口绳的收放实现柔性平面绳网的收缩与展开。

可重组机构完全收缩时，第一子机构的锥杆嵌套在第四子机构的锥筒内，第四子机构的锥杆嵌套在第三子机构的锥筒内，第三子机构的锥杆嵌套在第二子机构的锥筒内，第二子机构的锥杆嵌套在第一子机构的锥筒内；柔性平面绳网折叠储存在四个子机构围成的网仓中。

可重组机构完全展开时，第一子机构的锥杆与第四子机构的锥筒完全分离，第四子机构的锥杆与第三子机构的锥筒完全分离，第三子机构的锥杆与第二子机构的锥筒完全分离，第二子机构的锥杆与第一子机构的锥筒完全分离；四个互不接触的子机构通过收口绳相互连接，柔性平面绳网处于完全展开状态。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明相比于以往以机械臂为代表的刚性捕获具有容错性好、作业距离远及抓捕效率高等优点。

2、本发明通过可重组绳系编队飞行进行绳网的展开与收缩，可提高绳网捕获的可靠性、降低控制的复杂性。

3、本发明结合传统的小卫星技术（通讯、调姿、自主机动等）即可完成目标物的捕获而不需要体积很大的任务平台及连接系绳。

附图说明

图1是本发明的展开状态下的空间绳网捕获系统图。

图2是本发明的可重组机构的子机构的结构图。

图3是本发明的组合状态下的空间绳网捕获系统图。

图4是本发明的空间绳网捕获系统捕获目标物前的示意图。

图5是本发明的空间绳网捕获系统捕获目标物时的示意图。

图6是本发明的空间绳网捕获系统捕获目标物后的示意图。

图中：1、可重组机构，2、柔性平面绳网，3、收口绳，1.1、锥筒，1.2、弹簧，1.3、导轨，1.4、锥杆，1.5、外壳，1.6、编码器，1.7、电磁刹车，1.8、伺服电机，1.9、张力传感器，1.10、减速器，1.11、第一轴承座，1.12、卷绳筒，1.13、第二轴承座、1.14、辅助导轮，1.15、张力测量轮，1.16、绳长测量轮，1.17、张力预紧器，1.18、走绳板，1.19、底板，1.20、绳长编码器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图3所示，本发明的空间绳网捕获系统，包括可重组机构1、柔性平面绳网2和收口绳3，可重组机构1由四个结构相同的子机构a、b、c、d构成，每个子机构均包括弹射-对接部件和系绳控制部件。

如图2所示，所述弹射-对接部件，包括：锥筒1.1、四根弹簧1.2、四根导轨1.3、锥杆1.4和外壳1.5；在外壳1.5内，锥筒1.1大端安装在外壳1.5的左侧板外侧，四根导轨1.3垂直均布在外壳1.5的中间板侧面上，每根弹簧1.2均套于各自导轨1.3的导轨杆上，导轨杆的端部与锥筒1.1大端的端面连接，每根弹簧1.2两端分别由导轨1.3的凸台与锥筒1.1的端面进行限位，锥杆1.4大端固定在外壳1.5的后板外的中心处。

所述系绳控制部件，包括：编码器1.6、电磁刹车1.7、伺服电机1.8、张力传感器1.9、减速器1.10、第一轴承座1.11、卷绳筒1.12、第二轴承座1.13、辅助导轮1.14、张力测量轮1.15、绳长测量轮1.16、张力预紧器1.17、走绳板1.18、底板1.19和绳长编码器1.20。

在外壳1.5内，编码器1.6与电磁刹车1.7的一端连接，电磁刹车1.7的另一端与伺服电机1.8的一端连接，伺服电机1.8的另一端与减速器1.10 的一端连接，减速器1. 10的另一端固定在第一轴承座1.11上，减速器1.9输出轴穿过第一轴承座1.11轴承内圈经卷绳筒1.12中心孔与第二轴承座1.13轴承内圈转动连接，第一轴承座1.11与第二轴承座1.13的底部均安装在底板1.19上表面，底板1.19上垂直装有走绳板1.18，走绳板1.18与锥筒1.1轴线平行，走绳板1.18从左至右依次安装有张力预紧器1.17、带有绳长测量轮1.16的绳长编码器1.20、带有张力测量轮1.15的张力传感器1.9及辅助轮1.14。

收口绳3的一端从外壳1.5外由锥筒1.1中心孔进入后，依次经过张力预紧器1.17、绳长测量轮1.16、张力测量轮1.15和辅助导轮1.14后，固定在卷绳筒1.12内壁处，收口绳3的另一端与相邻一套子机构的锥杆6的中部连接。

柔性平面绳网2是一张能展开的正方形网，具体尺寸可根据所要捕获的目标物大小进行调整，柔性平面绳网2的四周均布有绳环，四周的绳环分别空套在四个子机构a、b、c、d之间的收口绳3中，通过收口绳3实现柔性平面绳网2的收缩与展开。

如图3所示，可重组机构1完全收缩时，第一子机构a的锥杆1.4嵌套在第四子机构d的锥筒1.1内，第四子机构d的锥杆1.4嵌套在第三子机构c的锥筒1.1内，第三子机构c的锥杆1.4嵌套在第二子机构b的锥筒1.1内，第二子机构b的锥杆1.4嵌套在第一子机构a的锥筒1.1内；柔性平面绳网2折叠储存在四个子机构围成的网仓中。

如图1、图5所示，可重组机构1完全展开时，第一子机构a的锥杆1.4与第四子机构d的锥筒1.1完全分离，第四子机构d的锥杆1.4与第三子机构c的锥筒1.1 完全分离，第三子机构c的锥杆1.4与第二子机构b的锥筒1.1完全分离，第二子机构b的锥杆1.4与第一子机构a的锥筒1.1完全分离；四个互不接触的子机构通过收口绳3相互连接，柔性平面绳网2处于完全展开状态。

本发明的工作原理：

如图3所示，在捕获前，每个子机构的弹簧1.2处于压缩状态，四个子机构的锥杆1.4与锥筒1.1相互嵌套；即第一子机构a的锥杆1.4嵌套在第四子机构d的锥筒1.1内，第四子机构d的锥杆1.4嵌套在第三子机构c的锥筒1.1内，第三子机构c的锥杆1.4嵌套在第二子机构b的锥筒1.1内，第二子机构b的锥杆1.4嵌套在第一子机构a的锥筒1.1内；通过每个系绳控制部件的电磁刹车1.7锁死系绳3实现子机构间的可靠连接，柔性平面绳网2折叠储存在四个子机构围成的网仓中。

如图3、图5所示，在捕获前进行展开时，每个系绳控制部件的电磁刹车1.7解锁，每个系绳控制部件释放收口绳3，弹簧1.2逐步恢复原长，实现四个子机构的相互分离，即第一子机构a的锥杆1.4与第四子机构d的锥筒1.1、第三子机构c的锥杆1.4与第二子机构b的锥筒1.1先同时分离；而后第四子机构d的锥杆1.4与第三子机构c的锥筒1.1、第二子机构b的锥杆1.4与第一子机构a的锥筒1.1再同时分离，以此实现四个子机构的弹射分离及柔性平面绳网2的展开。

如图3、图6所示，在捕获后进行收缩时，系绳控制部件回收收口绳3，每个相邻子机构的锥筒1.1与锥杆1.4在收口绳3的引导下逐步配合实现子机构间的相互对接；即第一子机构a的锥杆1.4与第四子机构d的锥筒、第三子机构c的锥杆1.4与第二子机构b的锥筒1.1先同时对接；而后第四子机构d的锥杆1.4与第三子机构c的锥筒1.1、第二子机构b的锥杆1.4与第一子机构a的锥筒1.1再同时对接；每个子机构的弹簧1.2逐步压缩，在相邻子机构的锥杆1.4与锥筒1.1完全配合后系绳控制部件的电磁刹车1.7锁死，实现四个子机构的可靠连接，以此实现四个子机构的对接组合及柔性平面绳网2的收缩与锁死。

如图4、图5、图6所示，捕获前，结合传统小卫星技术（通讯、调姿、自主机动等）的整个捕获系统处于一体化状态，捕获系统完成对目标物的搜索、识别等，并逐渐接近目标物至捕获系统的捕获距离范围内(百米级)；在开展捕获任务时，系绳控制部件的电磁刹车1.7解锁，系绳控制部件释放收口绳3，弹簧1.2逐步恢复原长，实现四个子机构的相互分离，即第一子机构a与第四子机构d、第二子机构b与第三子机构c先同时进行分离；而后第一子机构a与第二子机构b、第三子机构c与第四子机构d再进行分离，以此实现柔性平面绳网2的展开，并逐步包裹目标物实现捕获；完成捕获后，系绳控制部件回收收口绳3，相邻可重组机构1的锥筒1.1与锥杆1.4在收口绳3的引导下逐步配合实现可重组机构1间的相互对接，即第一子机构a与第四子机构d、第二子机构b与第三子机构c先进行对接；而后第一子机构a与第二子机构b、第三子机构c与第四子机构d再进行对接；每个子机构的弹簧1.2逐步压缩，在相邻子机构的锥杆1.4与锥筒1.1完全嵌套后系绳控制部件的电磁刹车1.7锁死，实现可重组机构的可靠连接，以此实现四个子机构的对接组合及柔性平面绳网2的收缩与锁死，并将目标物拖曳至指定轨道。