一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构的制作方法

本发明涉及一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构，属于在轨服务、机器人技术领域。

背景技术

卫星在轨发生故障或失效后将造成空间资产的巨大浪费，对其抓捕并实施维修或离轨等在轨服务操作，使故障卫星载荷任务能力得以延续，或释放重要轨道资源，可取得十分重要的经济效益和社会效益。对卫星的捕获是对其实施在轨服务操作的前提条件，而抓捕机构的设计，则是卫星捕获的核心部件，是影响能否对卫星进行正常在轨服务操作的重要因素之一。

目前，针对空间合作目标的在轨服务技术已经具有一定成熟度，并部分进行了在轨验证，抓捕机构可对合作目标进行有效抓捕。合作目标设计有专门适用于抓捕机构的抓捕特征部位，而对于非合作目标而言，则不具备可适用的抓捕特征部位。

当前在轨运行和在地面研制的卫星并未针对接受在轨服务进行设计，均为空间非合作目标。对卫星实施在轨服务操作，核心是完成对卫星目标的抓捕对接操作。目前，国外典型的技术方案包括美国frend机械臂+可更换末端执行器方案、德国deos和欧洲smart-olev锥杆式抓捕机构方案，均要求抓捕目标有可供抓捕的特定特征部位，难以适用于对空间非合作目标的抓捕。

因而，亟需一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构，以满足对空间非合作目标的抓捕。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构，以满足对合作目标及非合作目标航天器的抓捕。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构，包括支撑组件、传动组件、推盘、滑动板、抓捕组件、弹簧及锁紧释放组件，所述支撑组件包括第一支撑板、第二支撑板和支撑在所述第一支撑板和第二支撑板之间的导向部，所述传动组件用于带动所述推盘沿所述导向部向所述第一支撑板或所述第二支撑板移动，所述抓捕组件包括连杆和爪刺，所述连杆第一端与所述滑动板转动连接，所述连杆第二端与所述爪刺转动连接，所述爪刺的第一端与所述第二支撑板转动连接，所述锁紧释放组件用于将所述滑动板锁定在第一位置，并在预设条件下将所述滑动板从所述第一位置解锁，所述滑动板位于所述推盘与所述第一支撑板之间，所述弹簧位于所述第一支撑板和所述滑动板之间，当所述滑动板位于所述第一位置时，所述弹簧处于压缩状态，触发所述预设条件之前，所述传动组件带动所述推盘向所述第二支撑板运动，当触发所述预设条件时，所述滑动板从所述第一位置解锁，在所述弹簧的作用力下沿所述导向部向所述第二支撑板运动，所述连杆推动所述爪刺使所述爪刺的第二端刺入抓捕目标表面以实现抓捕。

在一可选实施例中，所述爪刺的第二端设有第一刀刃和第二刀刃，所述第一刀刃与第二刀刃相背，所述第一刀刃与第二刀刃相交位置形成尖钩。

在一可选实施例中，所述第一刀刃为单面锋利刀刃，所述第二刀刃为圆弧刀刃，所述第二刀刃用于承受所述抓捕目标的挣脱力。

在一可选实施例中，所述锁紧释放组件包括固定钩、摇杆、转接杆及缓冲杆，所述固定钩固定在所述滑动板上，所述摇杆的第一端与所述第一支撑板转动连接，所述缓冲杆穿设在所述第一支撑板和所述第二支撑板上，且与所述第一支撑板和第二支撑板均为间隙配合，所述转接杆的第一端与所述摇杆的中部转动连接，所述转接杆的第二端与所述缓冲杆转动连接，当所述滑动板位于所述第一位置时，所述固定钩与所述摇杆的第二端挂扣，当所述缓冲杆受到撞击力时，向上运动，通过所述连接杆带动所述摇杆转动，使所述固定钩与所述摇杆的第二端脱扣。

在一可选实施例中，所述固定钩设有导向面，所述锁紧释放组件还包括滚轮，所述滚轮设置在所述摇杆的第二端，当所述滑动板向所述第一位置移动时，所述滚轮沿所述导向面滚动，以使所述固定钩与所述摇杆的第二端挂扣。

在一可选实施例中，所述锁紧释放组件还包括缓冲部，所述缓冲杆的第一端探出所述第二支撑板，且向远离所述第一支撑板和第二支撑板的方向延伸，所述缓冲部与所述缓冲杆的第一端固定连接。

在一可选实施例中，所述缓冲部与所述第二支撑板之间设有缓冲弹簧。

在一可选实施例中，所述传动组件包括传动电机和丝杠，所述推盘与所述丝杠适配。

在一可选实施例中，所述的适用于航天器通用结构表面的抓捕机构包括对称设置的至少三组所述抓捕组件。

在一可选实施例中，所述的适用于航天器通用结构表面的抓捕机构还包括上限位开关和下限位开关，所述上限位开关设置在所述滑动板上，所述下限位开关设置在所述第二支撑板上，用于限定所述推盘的移动位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明实施例提供了一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构，通过在触发预设条件时，将锁定在第一位置的滑动板从第一位置解锁，利用弹簧弹力使滑动板向抓捕目标方向运动，从而带动连杆移动，使连杆带动爪刺刺向抓捕目标，无论空间合作目标还是非合作目标，航天器表面大部分面积均由通用结构面，也就是铝蜂窝板覆盖，爪刺得以刺入抓捕目标表面实现抓捕；

(2)该抓捕机构无需提供合作的抓捕特征部位，适用于各类航天器，通用性强，适用范围广；

(3)可进行重复的有效的抓捕连接与释放分离；

(4)通过设置相背的第一刀刃与第二刀刃，并使二者相交位置形成尖钩，以便于刺入航天器表面；

(5)通过将第一刀刃设置为单面锋利刀刃，便于划开抓捕目标表层，使刺爪的第二端穿入抓捕目标表层的铝蜂窝板内以保证紧固力，第二刀刃为圆弧刀刃，用于承受所述抓捕目标的挣脱力，防止刺入铝蜂窝板的刺尖将蜂窝板切开，造成爪刺从铝蜂窝板中脱落。本发明实施例中，爪刺由具有较高强度和一定韧度的弹性钢材加工实现；

(6)当抓捕机构与抓捕目标相遇时，会发生碰撞，该结构的锁紧释放装置，可以利用抓捕机构与抓捕目标的撞击力作为解锁条件，解锁时机准确，可靠性高，且该结构简单，重量轻，无需配置单独控制单元，满足轻量化发展要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构的主视图；

图2为本发明实施例提供的一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构的侧视图；

图3为本发明实施例提供的爪刺结构示意图；

图4为本发明实施例提供的锁紧释放组件工作状态示意图；

图5为本发明实施例提供的固定钩与摇杆挂扣示意图；

图6为本发明实施例提供的抓捕机构预触发状态示意图；

图7为本发明实施例提供的抓捕机构爪刺锁合状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体例子详细介绍本发明的实施方式。

参见图1和2，本发明实施例提供了一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构，包括支撑组件、传动组件、推盘1、滑动板2、抓捕组件、弹簧3及锁紧释放组件，所述支撑组件包括第一支撑板4、第二支撑板5和支撑在所述第一支撑板4和第二支撑板5之间的导向部6，所述传动组件用于带动所述推盘1沿所述导向部6向所述第一支撑板4或所述第二支撑板5移动，所述抓捕组件包括连杆7和爪刺8，连杆7第一端与述滑动板2转动连接，连杆7第二端与爪刺8转动连接，连接部位位于爪刺8第一端和第二端之间，优选中部部位，爪刺8的第一端与第二支撑板5转动连接，所述锁紧释放组件用于将滑动板2锁定在第一位置，并在预设条件下将滑动板2从所述第一位置解锁，滑动板2位于推盘1与所述第一支撑板4之间，弹簧3位于第一支撑板4和滑动板2之间，当滑动板2位于所述第一位置时，弹簧3处于压缩状态，且推盘1与滑动板2接触，触发所述预设条件之前，所述传动组件带动推盘1向第二支撑板5运动，当触发所述预设条件时，滑动板2从所述第一位置解锁，在弹簧3的作用力下沿导向部6向第二支撑板5运动，连杆7带动爪刺8使爪刺8的第二端刺入抓捕目标表面以实现抓捕，同理，当抓捕完成后，所述传动组件带动推盘1向第一支撑板4运动，滑动板2在推盘1的推力作用下沿导向部6向第一支撑板4运动，连杆7带动爪刺8使爪刺8的第二端释放所述抓捕目标，当滑动板2在推盘1的推力作用下运动到所述第一位置时，所述锁紧释放组件将滑动板2锁定在所述第一位置。

具体地，本发明实施例中，传动组件可以包括带传动、摩擦轮传动、链传动、螺旋传动等方式的传动组件，本发明不作限定；为节省空间及重量，本发明优选所述传动组件包括传动电机9和丝杠10，推盘1与丝杠10适配，能够在丝杠10的带动下向丝杠第一端或第二端运动；所述锁紧释放组件可以是卡扣、卡箍、挂钩等机械结构的锁紧释放组件也可以是电磁吸、放方式的锁紧释放组件，本发明不作限定；导向部6可以是导向杆、导向筒、导向块等结构形式，本发明不作限定；第一支撑板和第二支撑板既可以圆板也可以是方板、三角板等，本发明不作限定；所述预设条件可以是振动信号、冲击力信号、障碍物信号等电信号，也可以是冲击力等条件，本发明不作限定。

本发明实施例提供了一种适用于航天器通用结构表面的抓捕机构，通过在触发预设条件时，将锁定在第一位置的滑动板从第一位置解锁，利用弹簧弹力使滑动板向抓捕目标方向运动，从而带动连杆移动，使连杆推动爪刺刺向抓捕目标，无论空间合作目标还是非合作目标，航天器大部分表面均由通用结构面，也就是铝蜂窝板覆盖，爪刺得以刺入抓捕目标表面实现抓捕；该抓捕机构无需提供合作的抓捕特征部位，适用于各类航天器，通用性强，适用范围广；可进行重复的有效的抓捕连接与释放分离。

参见图3，在一可选实施例中，爪刺8的第二端设有第一刀刃81和第二刀刃82，第一刀刃81与第二刀刃82相背，第一刀刃81与第二刀刃82相交位置形成尖钩，以便于刺穿航天器表面，第一刀刃81为单面锋利刀刃，以便于划开抓捕目标表层，使刺爪8的第二端穿入抓捕目标表层的铝蜂窝板内以保证紧固力，第二刀刃82为圆弧刀刃，第二刀刃82用于承受所述抓捕目标的挣脱力，防止刺入铝蜂窝板的刺尖将蜂窝板切开，造成爪刺从铝蜂窝板中脱落。本发明实施例中，爪刺由具有较高强度和一定韧度的弹性钢材加工实现。

参见图4，所述锁紧释放组件包括固定钩11、摇杆12、转接杆13及缓冲杆14，固定钩11固定在滑动板2上，摇杆12的第一端通过销轴与第一支撑板4转动连接，缓冲杆14穿设在所述第一支撑板和所述第二支撑板上，且与所述第一支撑板和第二支撑板均为间隙配合，转接杆13的第一端与摇杆12的中部转动连接，转接杆13的第二端与缓冲杆14转动连接，如图4a所示，当滑动板2位于所述第一位置时，固定钩11与摇杆12的第二端挂扣，处于锁定状态，如图4b所示，当缓冲杆14受到撞击力时，向上运动，通过连接杆13带动摇杆12转动，使固定钩11与摇杆12的第二端脱扣，如图4c所示，当滑动板2在推盘1大的推动下将要到达第一位置时，摇杆12的第二端与固定钩重新挂扣。当抓捕机构与抓捕目标相遇时，会发生碰撞，该结构的锁紧释放装置，可以利用抓捕机构与抓捕目标的撞击力作为解锁条件，解锁时机准确，可靠性高，且该结构简单，重量轻，无需配置单独控制单元，满足轻量化发展要求。

如图4和5所示，固定钩11设有导向面a，所述锁紧释放组件还包括滚轮15，滚轮15设置在摇杆12的第二端，当滑动板2向所述第一位置移动时，滚轮15可自适应沿导向面a滚动，以使固定钩11与摇杆12的第二端挂扣。通过设置导向面和滚轮，固定钩与摇杆准确钩挂，避免钩挂失败导致的抓捕失效问题。

参见图1，所述锁紧释放组件还包括缓冲部16，缓冲杆14的第一端探出第二支撑板5，且向远离第一支撑板4和第二支撑板5的方向延伸，缓冲部16与缓冲杆14的第一端固定连接。具体地，本发明实施例中，缓冲部16由具有一定弹性的塑料材料(如聚氨酯)制成，优选与抓捕目标接触的一面为向抓捕目标凸起的弧形面。

以下为本发明的一具体实施例：

如图1和2所示，本实施例提供了一种适用于卫星通用结构表面的抓捕机构，包括支撑组件、传动组件、两组锁紧释放组件、推盘1、滑动板2、三组抓捕组件、弹簧3、上限位开关17、下限位开关18等组成部分。

支撑组件包括圆形上板(第一支撑板4)、两根导向杆(导向部6)和圆形下板(第二支撑板5)，上板和下板正对，以上板和下板的中心连线为对称轴，两根导向杆对称支撑在上板和下板之间，并且导向杆与上板、导向杆与下板分别进行螺纹连接。支撑组件起固定支撑作用。

传动组件包括传动电机9和丝杆10，传动电机9为爪刺释放提供动力，安装在上板上，丝杆10的上端通过一个转动副固定在上板中心位置，下端通过一个转动副固定在下板的中心位置。推盘1中心位置设有与丝杠10适配的螺纹孔，穿设在丝杠10上，与丝杠10形成螺旋传动，同时，推盘1还穿设在两根导向杆上，丝杠10在传动电机9的带动下转动，带动推盘1沿着导向杆向上板或下板运动；通过对称设置两个导向杆可以防止推盘以丝杠为中心自转。

滑动板2的中心位置穿设在丝杆10上，且与丝杆10间隙配合，滑动板2位于上板和推盘1之间；弹簧3套穿在丝杆10上，与丝杆10间隙配合，弹簧3位于滑动板2和上板之间；上限位开关17设置在滑动板2上，下限位开关18设置在下板上。

所述抓捕组件包括连杆7和镰刀状的爪刺8，连杆7上端通过转动副与滑动板2连接，爪刺8的上端通过转动副与下板连接，弯折部位通过转动副与连杆7下端连接，如图3所示，爪刺8的下端设有第一刀刃81和第二刀刃82，第一刀刃81位于外表面，第二刀刃位于内表面，第一刀刃81与第二刀刃82相交位置形成尖钩，以便于刺入航天器表面，第一刀刃81为单面锋利刀刃，以便于划开抓捕目标表层，使刺爪8的第二端穿入抓捕目标表层的铝蜂窝板内以保证紧固力，第二刀刃82为圆弧刀刃，第二刀刃82用于承受所述抓捕目标的挣脱力，防止刺入铝蜂窝板的刺尖将蜂窝板切开。以上板和下板的中心连线上的点为对称中心，三组抓捕组件对称设置，以保证稳固抓捕。

锁紧释放组件包括固定钩11、摇杆12、转接杆13、缓冲弹簧19、缓冲部16及缓冲杆14，固定钩11固定在滑动板2上，摇杆12的上端通过销轴与上板转动连接，缓冲杆14穿设在上板和下板上，且与上板和下板均为间隙配合，转接杆13的第一端与摇杆12的中部转动连接，转接杆13的第二端与缓冲杆14靠近上端的部位转动连接，如图4a所示，当滑动板2位于所述第一位置时，固定钩11与摇杆12的第二端挂扣，处于锁定状态，如图4b所示，当缓冲杆14受到撞击力时，向上运动，通过连接杆13带动摇杆12转动，使固定钩11与摇杆12的第二端脱扣，如图4c所示，当滑动板2在推盘1大的推动下将要到达第一位置时，摇杆12的第二端与固定钩重新挂扣。当抓捕机构与抓捕目标相遇时，会发生碰撞，该结构的锁紧释放装置，可以利用抓捕机构与抓捕目标的撞击力作为解锁条件，解锁时机准确，可靠性高，且该结构简单，重量轻，无需配置单独控制单元，满足轻量化发展要求。缓冲杆14的下端探出下板，且向下延伸，缓冲部16固定在缓冲杆14的下端。缓冲部16由聚氨酯材料制成，下表面为向下凸起的弧形面，缓冲弹簧19套设置缓冲杆下端，位于下板和缓冲部16之间。两组解锁释放组件对称分布，用于感应抓捕机构与抓捕目标的铝蜂窝板表面的撞击力，并在该撞击力的作用下，激发爪刺向内锁合。通过设置缓冲部和缓冲弹簧可以缓冲抓捕机构与抓捕目标的撞击力，避免作用力过大导致的机构或目标损坏，保证抓捕顺利进行。

本发明涉及的一种适用于卫星通用结构表面的抓捕机构，可实现对占据卫星表面大部分面积的铝蜂窝板的抓捕连接与释放分离。

1)抓捕过程

为了对铝蜂窝板实现侵彻刺入式的抓捕，抓捕机构首先需要处于紧固状态。滑动板2位于最上方位置，压紧弹簧3，使其聚集最大弹力。由于滑动板2位于最上方位置，同时也带动连杆7位于最上方位置，连杆7随之带动爪刺8张开。固定钩11与摇杆12挂在一起，此时上板、缓冲杆14、转接杆13、摇杆12、固定钩11、滑动板2六者构成稳定的固定连接关系，其连接力与主轴弹簧弹力保持平衡。

在抓捕机构缓冲部16接触抓捕目标的铝蜂窝板前，抓捕机构进入预触发状态，传动电机9通过丝杆10移动推盘1向下运动，当推盘1触碰到下限位开关18后传动电机9停止转动，推盘1停止运动。此时上板、缓冲杆14、转接杆13、摇杆12、固定钩11、滑动板2六者保持稳定的固定连接关系，因此滑动板2仍能保持位置不动。抓捕机构配备有2套锁紧释放组件，可以保持滑动板2两侧平衡。弹簧3在锁紧释放组件作用下收紧保持最大的弹力，爪刺8保持张开状态。预触发状态如附图6所示。

当缓冲部16碰触到铝蜂窝板表面，抓捕机构即进入爪刺锁合状态。缓冲部18与铝蜂窝板表面碰撞，在碰撞反作用力的作用下，缓冲部16克服缓冲弹簧的弹力向上移动，缓冲杆14也随之向上移动，从而带动摇杆12逆时针转动，摇杆12逆时针转动一定幅度后与固定钩11脱扣，此时上板、缓冲杆14、转接杆13、摇杆12、固定钩11、滑动板2六者之间稳定的固定连接关系消失，在弹簧3瞬时释放的弹力作用下，滑动板2向下滑动，带动连杆7向下滑动，爪刺8随之向内锁合，侵彻刺入铝蜂窝板，实现对铝蜂窝板的抓捕。爪刺锁合状态如附图7所示。

2)释放过程

释放过程为从爪刺8锁合状态转变为紧固状态，爪刺8从铝蜂窝板中脱离，抓捕机构实现对铝蜂窝板的释放。

在传动电机9作用下，丝杆10反方向转动带动推盘1向上移动，推盘1上移过程中，推动滑动板2向上滑动，连杆7随之向上滑动，带动爪刺8向外张开，并从铝蜂窝板中脱离。滑动板2上移过程中，压缩弹簧3，为下一次抓捕铝蜂窝板储存能量。固定钩11随滑动板2上移，固定钩11顶端斜面(导向面a)接触到摇杆12下端滚轮15，滚轮15能够自适应沿着固定钩11顶端斜面滚动，直到滚动至顶端斜面末端，进入到固定钩11内侧挂住，完成挂扣动作，此时上板、缓冲杆14、转接杆13、摇杆12、固定钩11、滑动板2六者之间稳定的固定连接关系实现恢复。滑动板2上移过程中，当上限位开关17触碰到上板时，传动电机9停止转动，推盘1停止运动。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。