非合作目标卫星捕获装置及捕获方法与流程

本发明涉及一种捕获机构，具体讲是一种非合作目标卫星捕获装置及捕获方法，属于航空航天技术领域。

背景技术：

随着航空航天技术的发展，航天任务的不断拓展，在轨捕获技术已经成为航天领域的一个研究热点。对非合作目标的抓捕能够实现在轨服务、空间垃圾清除以及一些军事任务，是在轨捕获技术中一项极具前瞻性和挑战性的课题。然而，对空间非合作目标的抓捕，目前还没有进行过在轨演示验证。实际上，许多空间任务涉及非合作目标的抓捕，比如，对未成功进入预定轨道的卫星进行辅助入轨对发生故障的卫星进行维修更换故障单元仪器、辅助机构展开(如展开未能正常打开的太阳帆板、天线等)；对燃料耗尽但其他系统工作正常的卫星加注燃料，延长寿命；将废弃卫星和空间碎片送入坟墓轨道等。

与合作目标相比，非合作目标的最大不同在于所要对接的目标没有专门的对接接口(如使用机械、电气等设备实现服务航天器与被服务航天器间的可靠连接)，这导致了对接过程的随机性以及对对接自主程度要求较高。

传统刚性捕获技术需要与预定捕获位置动态精确对准，在捕获过程中准确控制捕获机构与目标飞行器的相对运动，如果捕获过程中存在相对位移偏差、角度偏差等便可能导致捕获失败。目前发射的大多数卫星质量均在1000KG以上，在捕获过程中拖动目标卫星需较大的驱动力，同时会在捕获过程中产生较大的冲击力，甚至对目标卫星以及捕获机构造成破坏。此外，由于捕获时间短，用于捕获目标卫星的机械臂难以在短时间内做出随动响应，这些因素都大大增加了捕获难度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能够适应与各类航天器对接，对目标卫星影响小，自身稳定性高的非合作目标卫星捕获装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供非合作目标卫星捕获装置，包括外壳、两个四连杆捕获爪机构、四个水平锁紧机构、丝杆和控制器；

所述两个四连杆捕获爪机构相向设置于外壳内，下部与安装底板固连；所述丝杆竖向设置，丝杆上端穿过安装底板，下部连接驱动机构，丝杆转动时可驱动四连杆捕获爪机构向外壳外展开或向外壳内闭合；

所述四个水平锁紧机构分别位于两个四连杆捕获爪机构的外侧，两两相向安装在外壳的上部；

所述四连杆捕获爪机构上部的两侧分别安装压杆机构，四连杆捕获爪机构下行时压杆机构压迫水平锁紧机构向内侧水平滑行；

所述外壳的顶部安装光电传感器，所述光电传感器和驱动机构均电连接控制器。

本发明还包括预紧力加载机构，所述预紧力加载机构包括预紧力弹簧套筒、位置传感器和丝杠螺母安装板；所述预紧力弹簧套筒活动安装在安装底板上，可相对于安装底板上下运动，预紧力弹簧套筒内设置弹簧，预紧力弹簧套筒的顶面安装丝杠螺母安装板；所述位置传感器位于丝杠螺母安装板的下方，与安装底板固定连接；位置传感器电连接控制器；所述丝杆穿过预紧力弹簧套筒和丝杠螺母安装板。

本发明中，所述水平锁紧机构包括横向导杆、水平锁紧块和复位弹簧；所述横向导杆固定安装在外壳上，水平锁紧块和复位弹簧套在导向杆上，复位弹簧一端固定，另一端连接水平锁紧块。

本发明中，所述四连杆捕获爪机构包括底座、短连杆、主爪和长连杆；所述短连杆和长连杆的下端分别通过轴与底座装配，上端分别通过轴与主爪装配；所述短连杆、长连杆与底座的连接关节处安装驱动卷簧；所述外壳上与短连杆对应位置设有闭合凸轮。

本发明中，所述四连杆捕获爪机构的外侧与外壳内侧之间设有滑轨机构。

本发明中，所述外壳通过转台轴承连接被动柔顺机构，所述被动柔顺机构包括底座法兰盘、滑行制动机构、旋转制动机构和支架；所述底座法兰盘顶面设有直线滑轨，支架的底部设有滑槽，滑槽安装在直线滑轨上，底座法兰盘的内安装滑行制动机构；所述旋转制动机构安装在支架内控制转台轴承的转动；所述外壳两侧与底座法兰盘之间连接回转弹簧。

本发明中，所述滑行制动机构包括电磁制动器和制动板，电磁制动器位于制动板的上方，二者间设有间隙，制动板的两端通过沉头螺杆与底座法兰盘连接，制动板上表面与螺杆之间设置弹簧，制动板可沿沉头螺杆上下运动。

本发明中，所述压杆机构包括压杆、轴承和螺母，所述压杆与四连杆捕获爪机构固连，轴承通过螺母装配在压杆上。

本发明还提供了非合作目标卫星的捕获方法，采用上述非合作目标卫星捕获装置，具体步骤为：

1)、控制单元控制驱动机构驱动丝杠带动四连杆捕获爪机构向上运动，运动到外壳包络范围之外时，四连杆捕获爪机构向外壳外展开，同时水平锁紧块向外水平滑行；

2)、光电传感器监测到当非合作目标卫星的对接框时，控制单元控制驱动机构驱动丝杠带动丝杠驱动四连杆捕获爪向下运动，使四连杆捕获爪机构逐渐闭合，逐渐将非合作目标卫星的对接框包络在内；在四连杆捕获爪机构向下运动的同时，四连杆捕获爪机构上的压杆机构驱动水平锁紧块向内水平滑行，逐渐将对接框锁紧；

3)、通过预紧力加载机构监控捕获装置对对接框锁紧力，当达到锁紧力要求后，预紧力加载机构发出信号停止驱动机构工作，此时四连杆捕获爪机构位于非合作目标卫星的台阶面上，水平锁紧块顶住预紧力加载机构的对接框内外径，实现非合作目标卫星的捕获。

本发明中，在运动过程中，当对非合作目标卫星的接框坐标系与捕获装置坐标系发生相对位置偏移及角度偏移，通过被动柔顺机构对两坐标系进行对正。

本发明的有益效果在于：(1)、通过与航天器上的1194mm对接框对接完成非合作目标的捕获，φ1194接口是国际标准接口尺寸，其被广泛应用于各类航天器上，保证了本发明能适应各类非合作目标航天的捕获，其具有适用范围广，大容差，响应速度块，可靠性高等特点；捕获过程中，四连杆捕获爪主爪卡在非合作目标卫星的对接框的5.72mm台阶面上，水平锁紧块顶住对接框内外径，二者配合保证了捕获过程的稳定性，有效地保护非合作目标航天器，避免造成损坏；(2)、在卫星对接框与本发明捕获装置存在一定位置误差和角度偏移的情况下，通过底部的被动柔顺机构的调节完成对的捕获，减小捕获过程中的碰撞力，大大增加了捕获成功率；(3)、通过预紧力加载机构可以准确地控制四连杆捕获爪机构对非合作目标航天的对接框的锁合力，在满足正常稳定捕获的同时，防止锁合力超载对非合作目标卫星造成损坏；(4)、本机构功能高度集成，工作方式直接，包络尺寸小，整机重量轻，适用性强。

附图说明

图1为现有非合作目标卫星的对接框示意图；

图2为捕获装置结构示意图；

图3为捕获装置结构示意图2；

图4为捕获装置正视图；

图5为捕获装置侧视图；

图6为捕获装置俯视图；

图7为捕获装置内部结构示意图；

图8为捕获装置内部结构示意图2；

图9为四连杆捕获爪机构结构示意图；

图10为四连杆捕获爪机构结构示意图2；

图11为水平锁紧机构结构示意图；

图12为预紧力加载机结构示意图；

图13为预紧力加载机构爆炸图；

图14为捕获装置捕获流程图；

图15为四连杆捕获爪机构、水平锁紧机构与对接框接触示意图；

图16为四连杆捕获爪机构、水平锁紧机构与对接框接触示意图2；

图17为非合作目标卫星捕获装置对对接框的捕获效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明非合作目标卫星捕获装置的捕获目标为航天器与运载火箭对接框直径为1194的卫星(航天器)，φ1194接口是国际标准接口尺寸，被广泛应用于各类航天器上。对接框的外径为1194mm，内径为1133mm，外沿上具有一个5.72mm台阶面，对接框整体高度为320mm。

捕获时采用三个本发明非合作目标卫星捕获装置，三个非合作目标卫星捕获装置相对于非合作目标卫星的对接框轴线120°阵列分布，三个非合作目标卫星捕获装置分别通过其底座法兰盘2安装于空间机械臂末端。空间机械臂带动非合作目标卫星捕获装置向非合作目标卫星的对接框内伸入，依次对非合作目标卫星的对接框进行捕获，完成对于非合作目标卫星的整体捕获。

如2至8所示，本发明中捕获装置包括外壳1、四连杆捕获爪机构、四个水平锁紧机构、预紧力加载机构和被动柔顺机构。

被动柔顺机构包括底座法兰盘2、电磁制动器3、旋转制动器4和支架5。底座法兰盘2用于与空间机械臂末端相连，底座法兰盘2顶面安装两条平行的直线滑轨6，中部为空心结构。支架5设有四个支撑脚，四个支撑脚的底部分别设有滑块7，滑块7安装在直线滑轨6上，使得支架5安装在底座法兰盘2上并可沿直线滑轨6进行直线运动。电磁制动器3穿过底座法兰盘2与支架5固定连接，底座法兰盘2中部的空心结构用于电磁制动器3跟随支架5进行左右滑行。电磁制动器3的下方设置制动板8，二者间存在间隙。制动板8为长条形结构，制动板8的两端分别通过两个螺杆9与底座法兰盘2的底部连接，制动板8上表面与螺杆9顶面之间设置弹簧，制动板8可沿螺杆9上下运动。电磁制动器3电连接控制器，在电磁制动器3通电情况下，电磁制动器3产生的吸引力，使制动板8克服弹簧的作用力上行，与电磁制动器3紧吸，进而对支架5实现制动锁定；电磁制动器3断电后，制动板8在弹簧的作用力下自动回位，此时支架5可沿直线滑轨6滑行。

旋转制动器4安装在支架5内，支架5的上方安装转台轴承10，旋转制动器4电连接控器，旋转制动器4通过通/断电控制转台轴承10的转动，此部分为现有技术本发明在此不再展开描述。

外壳1通过其底部的带轴底板固定安装在转台轴承10上，带轴底板的左右两侧与底座法兰盘2左右两侧之间分别连接两根回转弹簧11。在捕获过程中，在非合作目标卫星的对接框坐标系与捕获装置坐标系存在位置容差±50m，角度容差±10°的情况下，被动柔顺机构能为捕获装置提供滑移被动柔顺和旋转被动柔顺，完成对对接框的捕获，并在完成捕获后能通过电磁制动器3、旋转制动器4完成锁定。

两个四连杆捕获爪机构的结构一致，相向对称设置在壳1内，两个四连杆捕获爪机构的底部与安装底板12固定连接。安装底板12的中间设有圆柱型凹槽，圆柱型凹槽位于两个四连杆捕获爪机构之间，用于容纳预紧力加载机构，预紧力加载机构固定安装在安装底板12上。安装底板12下方设有竖向设置的丝杆13，丝杠13经由圆柱型凹槽底部通孔向上穿过安装底板12和预紧力加载机构，丝杆13的下部安装从动轮14。外壳1的外侧固定安装驱动电机15，驱动电机15的输出轴安装主动轮16，主动轮16与从动轮14之间通过同步带17连接，实现传动。驱动电机15电连接控制器，控制器控制驱动电机15的正反转，进而通过安装底板12驱动四连杆捕获爪机构沿外壳1内侧上下运动。

四个水平锁紧机构位于两个四连杆捕获爪机构的外侧，同一侧的两个水平锁紧机构相向设置，水平锁紧机构固定安装在外壳1的上部。

外壳1顶部四个角上分别安装四个光电传感器18，光电传感器18电连接控制器，用于监测非合作目标卫星的对接框。

如图9和10所示，四连杆捕获爪机构包括底座19、短连杆20、主爪21、长连杆22和驱动卷簧23。短连杆20和长连杆22的下端分别通过轴与底座19装配，上端分别通过轴与主爪21装配，底座19用于与安装底板12固定连接。短连杆20与底座19的连接关节处、长连杆22与底座19的连接关节处分别安装驱动卷簧23；在驱动卷簧23的作用力下，可使得主爪21向外展开。主爪21的指尖上套有缓冲橡胶24，以在捕获过程中减小碰撞力，并对非合作目标卫星的对接框进行保护。

主爪21的顶部的两侧分别设有向外侧展开的压杆机构。压杆机构包括压杆25、轴承26和螺母27，压杆25固定在主爪21，轴承26通过螺母27装配在压杆25上，绕压杆25转动。压杆机构用于在主爪21下行过程中控制水平锁紧机构的运动。

主爪21外侧面的下部设有两条竖向设置的第一导向滑块28。

如图1、3和5所示，外壳1内部两侧分别安装竖向设置的第一导向滑轨29，第一导向滑轨29与主爪21外侧面第一导向滑块28相对应，第一导向滑块28置于第一导向滑轨29内，用于导向四连杆捕获爪机构的上下运动。外壳1的外侧与短连杆20对应位置分别设有四个凸轮。

在四连杆捕获爪机构在丝杆13驱动下运动出外壳1包络范围之外时，通过驱动卷簧23驱动主爪21向展开；在四连杆捕获爪机构在丝杆13驱动下运动到外壳1包络范围之内时，通过外壳1上的四个凸轮机构推动短连杆20，实现主爪21逐渐闭合，完成对对接框的捕获。

如图3、5和11所示，四个水平锁紧机构分别设有于两个四连杆捕获爪机构的外侧，位于两个四连杆捕获爪机构同一侧的水平锁紧机构相向设置。水平锁紧机构固定安装在外壳1上。水平锁紧机构包括横向导杆31、水平锁紧块32、支撑平台33和复位弹簧34，横向导杆31固定安装在外壳1的内侧，支撑平台33平行安装横向导杆31的上方。水平锁紧块32的外侧设有导块，支撑平台33内侧与导块对应位置设有水平锁紧机构导轨35，水平锁紧块32沿水平锁紧机构导轨35运动，提高运行的稳定性。

水平锁紧块32和复位弹簧34套在横向导杆31，复位弹簧34一端顶住横向导杆31内端的挡块，另一端顶部水平锁紧块32的内侧。

水平锁紧块32的位置与主爪21上的压杆机构相对应。在主爪21下行过程中，压杆机构对水平锁紧块32施压，使得复位弹簧34收缩，水平锁紧块32沿横向导杆31向内运动；主爪21上行时，解除水平锁紧块32的施压，在复位弹簧34的作用下，水平锁紧块32回到横向导杆31外端的初始位置。

如图8、12和13所示，预紧力加载机构包括预紧力弹簧36、位置传感器37、预紧力弹簧套筒38、第二导向滑块39和丝杠螺母安装板40。预紧力弹簧套筒38安装在安装底板12的中间柱型凹槽内，预紧力弹簧36设置于预紧力弹簧套筒38内；安装底板12的底部设有调节套41，调节套41上开有竖向的调节腰孔42，调节腰孔42用于连接调节螺栓46。预紧力弹簧套筒38底部的两侧通过调节螺栓46与调节套41连接，调节套41可相对于安装底板12上下运动，并通过调节套41上安装的调节螺栓46控制预紧力弹簧36的预压缩量，从而控制预紧力。预紧力弹簧套筒38的顶部安装丝杠螺母安装板40，丝杠螺母安装板40通过丝杠螺母安装螺栓43和丝杠螺母44固定在预紧力弹簧套筒38上。

位置传感器37位于丝杠螺母安装板40的下方，位置传感器37通过位置传感器安装架45安装在安装底板12上，位置传感器37与控制器电连接，位置传感器37与丝杠螺母安装板40之间留有间隙。通过调节位置传感器37与丝杠螺母安装板40之间的距离，进而控制位置传感器37触发捕获装置对非合作目标卫星对接框的锁紧力。

丝杠螺母安装板40、安装底板12的前后两侧分别安装竖向设置的第二导向滑块39，外壳1的内侧与第二导向滑块39对应的两侧面上设有第二导向滑轨(图中未显示)，第二导向滑块39沿第二导向滑轨上下滑行，从而进一步保证四连杆捕获爪机构和预紧力加载机构上下运动的稳定性和可靠性。

如图14至17所示，本发明的捕获方法的具体流程如下：

步骤1：控制器启动驱动电机以n1转速工作，同步带带动丝杠驱动四连杆捕获爪机构沿第一导向滑轨和第二导向滑轨向上运动，运动到外壳包络范围之外时，驱动卷簧驱动四连杆捕获爪机构向外展开，状态如图14中A所示。

步骤2：空间机械臂带动捕获装置向非合作目标卫星的对接框内伸入，当非合作目标卫星的对接框遮挡住光电传感器时，光电传感器反馈信号至控制器，控制器控制驱动电机以n2转速反向转动，丝杠驱动四连杆捕获爪向下运动，运动到外壳包络范围之内时，此时凸轮推动四连杆捕获爪的短连杆使四连杆捕获爪机构逐渐向外壳内闭合，逐渐将对接框包络在内。运动过程中，如果非合作目标卫星的对接框坐标系与捕获装置坐标系并未完全对准，存在相对位置偏移及角度偏移，通过被动柔顺机构中的直线滑轨及转台轴承提供随动，将两坐标系对正，过程状态如图14中B、C所示。

在四连杆捕获爪机构逐渐闭合过程中，安装于四连杆捕获爪主爪上的压杆机构驱动水平锁紧块沿水平锁紧机构导轨向内运动，逐渐将非合作目标卫星的对接框锁紧，状态如图14中D所示。

步骤3：控制器控制驱动电机以n3转速反向转动，由于在捕获过程中非合作目标卫星的本体不动，四连杆捕获爪机构沿丝杠向下运动的同时，使拖动本发明捕获装置整体向被捕获非合作目标卫星移动，当达到设定的锁紧力要求后，丝杠螺母安装板下压触发位置传感器，位置传感器反馈信号至控制器，控制器停止驱动电机工作，并控制电磁制动器和旋转制动器供电实现锁合，此时对接框停靠在支撑平台，四连杆捕获爪主爪卡在对接框的5.72mm台阶面上，水平锁紧块紧紧顶住对接框内外径，如图14中E、如图15和16所示；最终实现对非合作目标卫星的捕获，如图17所示。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。