一种用于在轨捕获非合作目标的仿生干黏附系统的制作方法

本发明涉及非合作目标的在轨捕获技术领域，特别是涉及一种用于在轨捕获非合作目标的仿生干黏附系统。

背景技术：

空间非合作目标具有的强大动能，其对在轨航天器构成了严重的威胁。据统计，非合作目标已造成多起航天器损伤及发生灾难性失效的事例，随着航天事业的发展，这种事例的数目仍在高速增长中。非合作目标的捕获技术已经成为了航天领域的研究热点。

目前较成功的非合作目标捕获技术是采用弹射飞网捕获，如中国专利cn102991731a就公开了一种用于废弃航天器捕获的飞网弹射捕获装置，其基本原理是采用火工品抛射质量块引导飞网展开，在对非合作目标形成包络后，质量块在自身惯性的作用下继续运动使飞网包紧目标，之后再对飞网及非合作目标进行整体回收。但是，由于火工品的采用，飞网为一次性使用的捕获装置，在非合作目标数量逐年增长的情况下，应用成本较高。

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可重复使用的针对大表面的非合作目标的捕获系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于在轨捕获非合作目标的仿生干黏附系统，以解决上述现有技术存在的问题，使非合作目标的捕获装置可以重复使用，以降低应用成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种用于在轨捕获非合作目标的仿生干黏附系统，包括机身、柔性驱动机构、仿生脚爪机构和仿生脚掌机构，所述柔性驱动机构和所述仿生脚爪机构设置在所述机身上，所述仿生脚掌机构与所述仿生脚爪机构活动连接，所述仿生脚掌机构末端设有仿生黏附单元，所述柔性驱动机构能够驱动所述仿生脚掌机构相对于所述仿生脚爪机构产生内收运动，增加仿生黏附单元的黏附能力，并驱动所述仿生脚爪机构产生向内收拢弯曲，使所述仿生黏附单元在法向预压力的作用下沿切向移动产生黏附力。

优选地，所述仿生脚爪机构包括脚爪支撑体、脚爪基体和脚爪肢体，所述脚爪支撑体为一“z”形柔性板，所述脚爪支撑体的一端与所述机身固定连接，所述脚爪支撑体的另一端与所述脚爪基体固定连接，所述脚爪基体上设有滑槽，所述脚爪肢体的滑杆嵌在所述滑槽内，所述柔性驱动机构能够驱动所述脚爪肢体在所述滑槽内移动，所述仿生脚掌机构与所述脚爪肢体活动连接。

优选地，所述滑槽倾斜设置，使所述脚爪肢体在侧向移动的同时沿法相向下移动。

优选地，所述仿生脚掌机构包括球头螺柱、脚掌弹簧、铰接头、掌体和至少两个黏附脚趾单元，所述球头螺柱的螺纹端固设在所述脚爪肢体的螺孔中，所述球头螺柱的球头设置在所述铰接头中，所述脚掌弹簧一端连接所述脚爪肢体，另一端连接所述铰接头，所述脚掌弹簧至少为均布的三个，所述掌体与所述铰接头固定连接，所述黏附脚趾单元均与所述掌体固定连接，所述黏附脚趾单元的底面上设有柔性垫，所述仿生黏附单元与所述柔性垫连接。

优选地，所述黏附脚趾单元的数量为3-5个，其中1-3个所述黏附脚趾单元朝外设置，其余的所述黏附脚趾单元朝内设置，形成锁合，相邻的所述黏附脚趾单元间的夹角为30-60°。

优选地，所述柔性驱动机构包括电机、摆动机构和一级驱动绳，所述电机设置在所述机身上，所述摆动机构的一端连接所述电机，所述摆动机构的另一端连接所述一级驱动绳的一端，所述一级驱动绳的另一端连接所述仿生脚爪机构。

优选地，所述柔性驱动机构、所述仿生脚爪机构和所述仿生脚掌机构至少为成对设置的两个。

优选地，每对所述脚爪支撑体之间连接有一二级驱动绳，所述二级驱动绳由一所述柔性驱动机构驱动，所述柔性驱动机构的所述一级驱动绳的另一端连接所述二级驱动绳。

优选地，还包括控制系统，所述电机与所述控制系统电连接。

优选地，所述机身由轻质材料制成。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明公开了用于在轨捕获非合作目标的仿生干黏附系统，利用了仿生黏附材料制成的仿生黏附单元再一定的预压力下切向移动即可产生非常大的黏力，其在与非合作目标表面接触的过程中，可与非合作目标表面之间产生足够的范德华力实现对非合作目标的黏附抓取。由于该黏附和脱附的过程是可逆的，所以利用本发明进行黏附抓取非合作目标具有可重复性。其中，单个仿生脚爪机构和仿生脚掌机构末端的仿生黏附单元对非合作目标的捕获动作为单肢体黏附，而成对的仿生脚爪机构和仿生脚掌机构对非合作目标的捕获动作为二级锁合黏附。由于本发明的多层级锁合的仿生脚爪机构和仿生脚掌机构对目标表面曲面具有很好的适应性，可作为具有大表面的非合作目标在轨捕获时的抓取末端，并实施多次捕获，以降低捕获成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于在轨捕获非合作目标的仿生干黏附系统的整体结构示意图；

图2为本发明单个柔性驱动机构、仿生脚爪机构和仿生脚掌机构的结构示意图；

图3为本发明一对柔性驱动机构、仿生脚爪机构和仿生脚掌机构的结构示意图；

其中：1-机身，2-控制系统，3-电机，4-摆动机构，5-一级驱动绳，6-脚爪支撑体，7-脚爪基体，8-脚爪肢体，9-球头螺柱，10-脚掌弹簧，11-铰接头，12-掌体，13-黏附脚趾单元，14-柔性垫，15-仿生黏附单元，16-二级驱动绳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于在轨捕获非合作目标的仿生干黏附系统，以解决上述现有技术存在的问题，使非合作目标的捕获装置可以重复使用，以降低应用成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示：本实施例提供了一种用于在轨捕获非合作目标的仿生干黏附系统，包括机身1、柔性驱动机构、仿生脚爪机构和仿生脚掌机构，机身1由轻质材料制成，以降低系统重量，优选为碳纤维材料。柔性驱动机构和仿生脚爪机构均设置在机身1上。

所述仿生脚爪机构包括脚爪支撑体6、脚爪基体7和脚爪肢体8。脚爪支撑体6为一“z”形柔性板，脚爪支撑体6的一端与机身1固定连接，另一端与脚爪基体7固定连接。脚爪基体7上设有滑槽，脚爪肢体8的滑杆嵌在滑槽内，滑槽为弧形槽或倾斜设置的直槽，使脚爪肢体8在侧向移动的能够同时沿法相向下移动，靠近被黏附的物体，保证单肢体黏附的效果。

所述仿生脚掌机构包括球头螺柱9、脚掌弹簧10、铰接头11、掌体12和至少两个黏附脚趾单元13，球头螺柱9的螺纹端固设在脚爪肢体8的螺孔中，球头螺柱9的球头卡接在铰接头11中，脚掌弹簧10一端连接脚爪肢体8，另一端连接铰接头11，脚掌弹簧10至少为均布的三个，优选为四个。脚掌弹簧10能够限制铰接头11的自由度，使铰接头11可绕球头螺柱9的球头在3个自由度上转动，为铰接头11提供所需的柔性，保证更黏附贴合的适应性。掌体12与铰接头11固定连接，黏附脚趾单元13均与掌体12固定连接，黏附脚趾单元13的数量优选为三个，三个黏附脚趾单元13均朝外设置，相邻的黏附脚趾单元13间的夹角为60°。掌体12的底面上设有柔性垫14，仿生黏附单元15与柔性垫14连接。

所述柔性驱动机构包括电机3、摆动机构4和一级驱动绳5，电机3设置在机身1上，摆动机构4的一端连接电机3，摆动机构4的另一端连接一级驱动绳5的一端，一级驱动绳5的另一端连接脚爪肢体8，以驱动脚爪肢体8在滑槽内按照所需的轨迹移动。柔性绳可保证黏附过程更加稳定可靠。

所述柔性驱动机构、仿生脚爪机构和仿生脚掌机构至少为两个，且成对设置。每对两个脚爪支撑体6之间均连接有二级驱动绳16，二级驱动绳16由一柔性驱动机构驱动，该柔性驱动机构的一级驱动绳5的另一端连接二级驱动绳16。柔性驱动机构可通过拉紧二级驱动绳16，使成对的脚爪支撑体6产生向内收拢弯曲，进而使仿生脚掌机构末端的仿生黏附单元15产生的切向黏附力方向相反，相互平衡，形成二级锁合黏附。所述柔性驱动机构、仿生脚爪机构和仿生脚掌机构优选各设置四个，组成两对，并使其二级驱动绳16彼此垂直，以获得最佳的二级锁合黏附效果和最大的有效抓取面积。

所有电机3均与控制系统2电连接，控制系统2优选使用stm32单片机及其他附件构成。在控制系统2的控制下，柔性驱动机构能够驱动仿生脚掌机构相对于仿生脚爪机构产生切向位移，并驱动仿生脚爪机构产生向内收拢弯曲，使仿生黏附单元15在法向预压力的作用下进行切向移动。同时进行单肢体黏附和二级锁合黏附，以提高捕获的成功率。

以本实施例作为在轨捕获时的抓取末端，但非合作目标与本实施例的仿生脚掌机构逐渐接近并接触时，由于铰接头11可绕球头螺柱9的球头在3个自由度上转动，可使掌体12、黏附脚趾单元13及仿生黏附单元15与非合作目标的表面更好贴合，控制系统2可驱动电机3带动摆动机构4将电机3的圆周运动转换化为直线运动，通过一级驱动绳5带动脚爪肢体8在滑槽内按照所需的轨迹移动，使仿生黏附单元15可在一定的预压力下侧向移动，进而完成对非合作目标的单肢体黏附。与此同时，控制系统2还可拉紧二级驱动绳16，使成对的脚爪支撑体6产生向内收拢弯曲，进而使仿生脚掌机构末端的仿生黏附单元15产生方向相反的切向黏附力，使切向黏附力相互平衡，形成二级锁合黏附。本实施例的脱附过程为：控制系统2控制电机3复位，卸载切向力，然后沿法向分别对非合作目标和本实施例施加较小的拉力即可实现脱附。

本实施例的多层级锁合的仿生脚爪机构和仿生脚掌机构对目标表面曲面具有很好的适应性，可有效贴合非合作目标表面，且单肢体黏附和二级锁合黏附的共同作用保证了黏附力和捕获的成功率。并且本实施例具有可多次实施黏附过程的优点，有利于降低捕获成本。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。