一种欠驱动空间抓捕机构及抓捕方法与流程

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种欠驱动空间抓捕机构及抓捕方法。

背景技术：

在航天领域，空间机器人在空间任务中扮演了越来越重要的角色。利用空间机器人实施空间设备维修，模块更换，加注燃料和清除空间碎片等在轨服务是未来的发展趋势。由于在轨服务需要建立在捕获服务对象的基础之上，因此抓捕机构是空间机器人执行在轨服务任务的重要部分。

抓捕机构的设计需要与被抓捕目标的特征相匹配，在空间中，目标可以大致分为两类，第一类是设计了专用被抓持机构的目标，这类目标一般为合作目标；第二类是并没有设计专门被抓持机构的目标，这类目标可以是合作目标，也可以是非合作目标，大多数在轨飞行目标属于这类目标。

针对第一类目标，现有的抓捕机构有rotex手爪，抓捕目标为桁架；日本的ets-vii项目中，nasda研制的半灵巧三指手爪，以及哈尔滨工业大学研制的ts-4卫星空间机械臂上的抓捕机构，抓捕目标都为特定的圆柱形把手；美国oe计划中抓捕机构为三个抓手，抓捕目标为卫星对接配适器。这些空间抓捕机构都是针对特定的把手或者对接器而设计的，只能抓捕一种目标，适用性不强。

针对第二类目标，即没有特定的被抓持机构，尤其是非合作目标。但是大多数在轨飞行器上都包含星箭对接环，分离螺栓，远地点发动机喷管，太阳帆板支架和太阳帆板等常见结构，这些结构的形状在国际上都比较统一，并且有足够的强度承受抓捕力。可以将这些常见结构作为抓捕目标点。现有的针对第二类目标的抓捕机构有欧空局ess项目中抓捕远地点发动机喷管的改锥型抓捕机构。美国frend项目的螺栓抓取器。这两种抓捕机构的共同特点是小巧简便，但是同样只能抓捕喷管这类目标，并且对抓捕控制精度要求极高，几乎很难实现对非合作目标的抓捕。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种欠驱动空间抓捕机构及抓捕方法，克服在抓捕过程中以及抓捕完成后容易使抓捕对象脱离，且其对抓捕对象的形状体积有严格适用要求的劣势。

本发明采用以下技术方案：

一种欠驱动空间抓捕机构，包括球型铰链和四个分支机构，每个所述分支机构分别通过第一蜗杆与所述球型铰链连接，四个所述分支机构间隔°设置，所述球形铰链中垂直设置有两个电机，所述第一蜗杆套装在所述电机内，每个所述电机用于驱动位于同一直线上的两个所述分支机构，每个所述分支机构上设置有黏附板用于抓捕。

进一步的，所述分支机构从左到右依次设置有第一黏附板、第二黏附板和第三黏附板，所述球型铰链通过所述第一蜗杆与所述第一黏附板连接用于传动，所述第一黏附板与所述第二黏附板连接，所述第三黏附板为欠驱动黏附板，在所述第二黏附板受到压力冲击时，向靠近所述第二黏附板侧转动。

进一步的，所述第二黏附板的左侧设置有第一连接轴，所述第一连接轴上设置有涡轮，所述涡轮通过第二蜗杆与所述第一黏附板连接。

进一步的，所述第二黏附板的右侧设置有用于连接所述第三黏附板的第二连接轴，所述第二连接轴上设置有第二传动轮，所述第一连接轴上设置有第一传动轮，所述第一传动轮和第二传动轮之间通过传送带连接。

进一步的，所述第一连接轴和第二连接轴的两端分别通过固定销与所述第二黏附板和第三黏附板固定连接。

进一步的，所述涡轮上设置有驱动电机，所述驱动电机用于驱动所述涡轮转动。

进一步的，所述球形铰链的直径为300mm，所述第一蜗杆的长度为100mm，所述第一黏附板、第二黏附板和第三黏附板的长度为200～600mm，宽度为50～150mm，厚度为30～90mm。

进一步的，所述黏附板的表面上覆盖一层聚二甲基硅氧烷复合黏附层，所述复合黏附层的粘附力为36～100n/cm²。

一种欠驱动空间抓捕方法，包括以下步骤：

s1、当发现目标并初步辨识后，抓捕机构运动到目标体附近，将其包围；

s2、当目标体积较小时，球形铰链中的电机开始运行，驱动第一黏附板进行闭合转动，第二黏附板中驱动电机不运行，当黏附板贴近目标体并黏附后，运动停止；

s3、当目标体积较大时，球形铰链中的电机不运行，第二黏附板中的驱动电机运行，第二黏附板闭合转动并接触到目标体进行黏附，第三黏附板进行闭合转动，当第三黏附板黏附住目标体后，运动停止。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明欠驱动空间抓捕机构通过球型铰链连接四个分支机构，由球型铰链内的电机驱动四个分支机构进行抓捕，在每个分支机构上设置黏附板，采取以干黏附技术为空间抓捕的主要突破点，由于干黏附的物理性质特殊，在遇到撞击及侧滑时不仅不会降低黏附效果，反而会增强黏附力，以致于目标体的自转等姿态运动不会影响抓捕效果，又因为对目标体的形状大小适用性好，所以降低了对精确辨识的依赖。

进一步的，适用抓捕对象范围广，突破手爪，网兜对抓捕对象的限制，可抓捕的对象适用范围极广，以立方星为例，可适用于400*400*400mm～800*800*800mm体积范围的所有目标，并且经过改进，可以实现更广泛的抓捕，突破了以往抓捕机构只能针对某一类目标体进行抓捕的限制。

进一步的，增强聚二甲基硅氧烷(pdms/cnt)复合黏附材料与cnt相比，表面能与化学性能更优，其黏附性能得到明显改善，并具有良好的可重复使用性能，经过陆地设备测试，发现在真空环境中的黏附性能甚至超越在普通大气中测试的性能，所以这更有利于推动干黏附原理应用于航天器完成各项任务。

本发明还公开了一种欠驱动空间抓捕机构抓捕方法，根据目标体积的大小，选择球形铰链和第二黏附板中的电机进行驱动，完成整个抓捕，根据需要开关电机，节省能源，在抓捕中，针对不同类型体积的目标体，球型铰链中的电机和第二黏附板中的电机分别开关，节省了能源,以助于增强续航能力，减少了以往抓捕过程中对控制的复杂要求，整个方法简单易实施控制。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明抓捕机构的主视图；

图2为本发明抓捕机构的左视图；

图3为本发明第二黏附板和第三黏附板的连接立体图；

图4为本发明第二黏附板和第三黏附板的连接主视图；

图5为本发明第二黏附板和第三黏附板的连接左视图；

图6为本发明第二黏附板和第三黏附板的工作示意图；

图7为本发明第一蜗杆的结构示意图；

图8为本发明实施例一示意图；

图9为本发明实施例二示意图。

其中：1.球形铰链；2.第一蜗杆；3.第一连接轴；4.第一黏附板；5.第二黏附板；6.第三黏附板；7.涡轮；8.固定销；9.第二连接轴；10.第一传动轮；11.传送带；12.电机；13.第二传动轮。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种欠驱动抓捕机构，采用四个分支机构组成抓捕手臂，每个分支机构上设置有若干黏附板，在每个黏附板的表面上覆盖一层聚二甲基硅氧烷(pdms/cnt)复合黏附层，将欠驱动抓捕机构与黏附性的复合层结合起来，通过黏附力抓捕目标，增强黏附力，实现精确抓捕。

请参阅图1和图2，本发明一种欠驱动抓捕机构的分支机构包括四个，四个所述分支机构通过球型铰链1连接成一体，其中，两个所述分支机构水平设置，剩余两个所述分支机构竖直设置，四个分支机构固定在中心球形铰链1的四周，形成对物体的包围，每个分支机构间隔角度为90°，所述球形铰链1中装有两台电机12，两台所述电机12垂直放置，每个所述电机12用于驱动位于同一直线上的两个分支机构进行抓捕。

请参阅图7，所述第一蜗杆2套装在所述电机12内，由电机驱动。

每个分支机构部件从左到右依次包括第一蜗杆2、第一黏附板4、第二黏附板5和第三黏附板6，所述第一蜗杆2的一端与所述球型铰链1内的电机12连接，另一端与所述第一黏附板4连接用于传动，所述第一黏附板4与所述第二黏附板5连接，所述第三黏附板6为欠驱动黏附板，在所述第二黏附板5受到压力冲击时，自动向内侧转动。

请参阅图3至图6，所述第二黏附板5的左侧设置有第一连接轴3，所述第一连接轴3上设置有涡轮7，所述涡轮7通过第二蜗杆与所述第一黏附板4连接。

所述第二黏附板5的右侧设置有用于连接所述第三黏附板6的第二连接轴9，所述第二连接轴9上设置有第二传动轮13，所述第一连接轴3上设置有第一传动轮10，所述第一传动轮10和第二传动轮13之间通过传送带11连接。

所述涡轮7上设置有驱动电机，所述驱动电机用于驱动所述涡轮7转动。

所述第一连接轴3和第二连接轴9的两端分别通过固定销8与所述第二黏附板5和第三黏附板6固定连接。

抓捕机构的尺寸如下：球形铰链1的直径为300mm，第一蜗杆2的长度为100mm，第一黏附板4、第二黏附板5和第三黏附板6的长度为200～600mm，宽度为50～150mm，厚度为30～90mm。

一种欠驱动空间抓捕机构的抓捕方法，包括以下步骤：

s1、当发现目标并初步辨识后，抓捕机构运动到目标体附近，将其包围；

s2、当目标体积较小时，球形铰链中的电机开始运行，驱动第一黏附板进行闭合转动，第二黏附板中驱动电机不运行，当黏附板贴近目标体并黏附后，运动停止；

s3、当目标体积较大时，球形铰链中的电机不运行，第二黏附板中的驱动电机运行，第二黏附板闭合转动并接触到目标体进行黏附，第三黏附板进行闭合转动，当第三黏附板黏附住目标体后，运动停止。

实施例1

请参阅图8，机构抓捕小型立方体400*400*400mm时，当靠近目标并贴近后，球形铰链中相互垂直的两台电机12运行，第二黏附板5中驱动电机不运行，故此时第一黏附板4.第二黏附板5和第三黏附板6为一整体，球形铰链1中电机12通过第一蜗杆2带动第一黏附板4进行闭合转动，当黏附板贴近目标体并黏附后，运动停止，随即进行清理任务或其它。

实施例2

请参阅图9，机构抓捕大型立方体800*800*800mm时，当靠近目标并贴近后，球形铰链1中电机12不运行，第二黏附板5中驱动电机运行，此时第一黏附板4与球形铰链1，第一蜗杆2为一整体，第二黏附板5闭合转动并接触到目标体时，首先通过其上黏附层进行黏附，又因为受到压力及撞击力，促使第三黏附板6即欠驱动黏附板进行闭合转动，当欠驱动黏附板黏附住目标体后，运动停止，随机进行清理任务或其它。

通过化学气相沉积法(chemicalvapordeposition，cvd)制备的垂直定向排列cnt阵列，结构可控，抗压缩性能、黏附性能优良，微米级的碳纳米管束和纳米级的单根碳纳米管层级结构与壁虎脚掌的刚毛束、绒毛匙突具有尺度、结构相似性，因此被用于仿壁虎爬壁机器人脚掌仿生吸附材料。在硅基底上制备图形化cnt阵列，获得了36n/cm²的黏附力，甚至实现了cnt阵列100n/cm²的黏附力，是壁虎脚的10倍，并且cnt黏附阵列以范德华力为主要黏附机制的理论也已经被认可，因此cnt成为在空间环境中发挥黏附作用的首选材料。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。