主被动相结合的星球车自动对接系统及对接方法与流程

本发明涉及星球车自动对接技术领域，具体涉及主被动相结合的星球车自动对接系统和对接方法。

背景技术：

在航天探测领域，星球车用于实现星球表面巡视探测，为扩展星球车功能，可将多辆星球车相互对接，进而建设形成星球基地。

星球车对接需解决两个需求：一是自动对接需求，通常情况下，外星球表面环境恶劣，为确保宇航员人身安全，宇航员不应或尽量减少暴露在外实施过多操作，星球车应能够实现无需宇航员手动参与的自动对接，相比而言，地面火车车厢的对接，一般由人工操作连接车钩、缓冲装置及车厢风挡等部件实现连接，无参考价值；二是重力场条件下的星球车姿态偏差调整需求，外星球表面为原始地形，需考虑地面高低不平的不利因素，该因素会造成两星球车之间存在高度及角度姿态偏差，即便可操控星球车运动以减小上述偏差，但无法完全消除，然而由于星球车受到重力作用，无法由对接机构施力将星球车姿态强行纠偏，因此，其对接机构需具有较大容差，使其可以在两星球车存在姿态偏差的条件下实现自动对接，相比而言，航天领域的空间站在轨对接处于零重力条件，其对接机构可容易实现两个对接飞行器的姿态校正，参考价值不高。

对此，美国航天局nasa提出了一种“主动-主动适配对接系统(active-activematingadapterdockingsystem)”，由2套主动对接机构串联而成，其中每套主动对接机构均为六自由度的stewart并联机构(主要由6根主动可调长度的电动推杆组成)。

将该“主动-主动适配对接系统”其中的单套主动对接机构分别安装在两星球车侧面，两星球车对接时，需主动调整每套主动对接机构姿态，以实现对星球车姿态偏差的适应，其中，每套主动对接机构在工作时，均需依靠额外的姿态感知系统以实时获取两星球车的姿态偏差，并通过复杂的六自由度并联机构算法实时解算各机构电动推杆所需长度，进而调整各电动推杆长度以减小姿态偏差，并需不断迭代该过程，直至完全消除偏差实现对接。该“主动-主动适配对接系统”至少存在2点不足，一是需由2套主动对接机构串联而成，单套机构运动求解已比较复杂，2套串联的运动求解相叠加，系统复杂度大大增加，导致重量大、可靠性差、风险高等问题；二是需借助额外的姿态感知系统实时迭代，即对接系统内部运动解算与外部感知参数相迭代，系统可靠性依赖于感知系统，而感知系统的传感器设备又受温度等外部环境影响，存在不确定性，导致整个对接系统的可靠性不高。

因此，针对星球车对接，寻求更简单便捷的对接方法，减少驱动装置，具备姿态适应性补偿能力，为技术研发的主要难点。

技术实现要素：

为克服现有技术中所存在的上述不足，本发明提供了主被动相结合的星球车自动对接系统，该系统所述捕获端主动实施对接，所述被动端用于被动接受对接，驱动装置少，可有效降低制造成本和控制难度；对地形条件的适应性强；解锁复位时具有自动校正能力，所述弹簧拉杆组件采用了压簧转化设计，消除了弹簧意外断裂造成失效的风险。对应的，本发明还提供了主被动相结合的星球车自动对接系统的对接方法。

对于主被动相结合的星球车自动对接系统，本申请包括设置于星球车两侧的捕获端和被捕获端；所述捕获端包括与星球车侧面固联的捕获端连接法兰，垂直固联于所述捕获端连接法兰的捕获端对接框，及设于所述捕获端连接法兰外周的至少两个的捕获杆组件，所述捕获杆组件朝向与所述捕获端对接框相同，所述捕获杆组件包括依次连接的捕获杆组件底板、底座外壳和捕获杆外筒，所述捕获杆组件还包括伸长组件和捕获组件；所述伸长组件包括伸长动作的驱动组件和伸长动作的执行组件，其中所述伸长动作的驱动组件包括设于底座外壳端面的第一电机，所述第一电机输出端朝向所述底座外壳内侧，且所述第一电机的输出端端部设有第一驱动齿轮，所述伸长动作的执行组件包括设于所述捕获杆外筒内部并与其同心的丝杠中筒和丝母套筒，所述丝母套筒套设于所述丝杠中筒之外，两者通过螺纹副连接，所述丝杠中筒与所述捕获杆外筒通过转动副连接，所述丝母套筒与所述捕获杆外筒为滑动配合，位于所述底座外壳内的所述丝杠中筒端部外周设有第一从动齿轮，所述第一从动齿轮与所述第一驱动齿轮相啮合；所述捕获组件包括捕获动作的驱动组件和捕获动作的执行组件，所述捕获动作的驱动组件包括设于底座外壳端面与所述第一电机平行设置的第二电机，以及设于所述第二电机输出端端部的第二驱动齿轮，所述捕获动作的执行组件包括穿过所述丝杠中筒并与其同心设置的回转轴和丝杠轴，所述丝杠轴穿过所述回转轴，所述丝杠轴与所述回转轴为滑动配合，所述回转轴与所述丝杠中筒通过转动副连接，位于所述底座外壳内的所述回转轴底端设有与所述第二驱动齿轮相啮合的第二从动齿轮，所述第一从动齿轮与第二从动齿轮同心但高度不同，所述第一驱动齿轮和第二驱动齿轮的高度与其分别对应；所述捕获杆外筒上端设有捕获执行器安装法兰，所述丝杠轴穿过所述捕获执行器安装法兰，且两者间为转动配合，所述丝杠轴伸出端为螺纹结构的丝杆，所述丝杆上设有与之配合的导向螺母，所述捕获执行器安装法兰的上端面沿周向均布至少两个锁爪所述锁爪中部与所述导向螺母之间通过连杆相连，所述连杆与所述锁爪和导向螺母均为铰接，所述锁爪随导向螺母移动实现张开和闭合；所述被捕获端包括与星球车侧面固联的被捕获端连接法兰、垂直固联于所述被捕获端连接法兰的结构桶、搭接于所述结构桶端部的对接法兰、套设于所述结构桶外且两端分别与所述被捕获端连接法兰和对接法兰端面固联的波纹密封桶、以及沿被捕获端周向均布的连接所述被捕获端连接法兰和对接法兰的弹性拉杆组件；所述对接法兰沿外周均布数目、位置与所述捕获杆组件相对应的捕获孔，所述对接法兰与所述结构桶搭接的端面处沿周向均布至少两个向结构桶内延伸的导向瓣，所述导向瓣向结构桶轴线方向倾斜；所述锁爪张开后呈倒伞状，外轮廓尺寸大于所述捕获孔的直径，即张开后的锁爪无法通过所述捕获孔。

作为优化，所述捕获杆外筒内壁设有至少一道第一防扭限位面，所述丝母套筒外壁设有与所述第一防扭限位面配合的第二防扭限位面。

根据该优化方案，在所述第一电机驱动第一驱动齿轮回转、第一从动齿轮带动丝杠中筒回转时，所述第一防扭限位面和所述第二防扭限位面配合使用，防止所述丝母套筒回转，使其将丝杠中筒的转动通过螺纹配合转化为丝母套筒的移动，实现所述捕获杆组件伸长或缩短。

进一步，作为优化，所述丝母套筒一端内表面设有公称直径小于内壁直径的内螺纹段。

根据该优化方案，所述丝母套筒内壁直径大于内螺纹段公称直径可防止丝杠中筒外壁与丝母套筒内壁产生刮擦，所述内螺纹段长度小于2倍的内螺纹公称直径，所述内螺纹长度不宜过长，防止驱动时所需克服的摩擦力过大。

作为优化，所述丝杠中筒外壁设有与所述丝母套筒的内螺纹段相适配的外螺纹段，所述外螺纹段从所述丝杠中筒一端起始，直至所述丝杠中筒与所述捕获杆外筒配合处。

根据该优化方案，所述丝杠中筒外壁的外螺纹长度与捕获杆组件行程相对应。

作为优化，所述回转轴内壁设有至少一道第三防扭限位面，所述丝杠轴外壁设有与所述第三防扭限位面配合的第四防扭限位面。

根据该优化方案，所述丝杆轴与丝母套筒之间通过一组轴承形成转动副，限制相对移动的自由度，因此所述丝杆轴可随丝母套筒移动，所述回转轴通过第三防扭限位面与第四防扭限位面配合使用，带动丝杆轴同步回转，可以在丝杆轴移动后，即所述捕获杆组件伸长后，驱动导向螺母移动。

作为优化，所述捕获杆组件底板与丝杠轴位置对应处设有第一行程开关，所述捕获端对接框外周靠近端面处设有至少一个第二行程开关，所述捕获端对接框端面处设有橡胶密封环。

根据该优化方案，所述第一行程开关用于判断所述捕获杆组件处于伸出或复位状态，第二行程开关用于判断所述捕获端对接框是否与所述对接法兰端面完全贴合，所述橡胶密封环可防止对接接口处漏气。

作为优化，所述第一电机和第二电机外设有电机防尘罩，所述电机防尘罩与所述底座外壳端面固联。

根据该优化方案，所述电机防尘罩起到保护电机，防止电机磕碰和防尘等作用。

作为优化，所述捕获孔设有倒锥面，所述锁爪的最大张开角度与所述倒锥面的锥度相适配。

根据该优化方案，为增加捕获对接对姿态的容差能力，捕获抓收拢状态下轮廓直径较小，倒锥孔的内径尺寸可满足捕获杆的过孔需求，使得两辆星球车之间即便存在姿态偏差，捕获杆伸长后仍可顺利穿过倒锥孔，捕获对接时，锁爪穿过捕获孔后张开，所述锁爪侧面与所述倒锥面贴合，增大受力面积，防止锐边与锁爪刚性接触，造成应力集中。

作为优化，所述弹性拉杆组件包括弹性拉杆外筒，所述弹性拉杆外筒一端设有固定球接头，另一端设有导向限位块，所述弹性拉杆外筒内部设有与其同心的导杆和套设于导杆上的压缩弹簧，所述导杆一端穿过所述导向限位块，伸出于所述弹性拉杆外筒，其端部为球接头，所述导杆另一端设有弹簧限位块，与所述压缩弹簧设于所述导向限位块和弹簧限位块之间，位于两端的球接头分别与球座配合，所述球座分别与被捕获端连接法兰和对接法兰相对设置的端面固联。

根据该优化方案，当所述弹性拉杆组件受到拉伸作用后，中心导杆与安装筒发生相对运动，所述导杆为压簧提供运动导向，压缩弹簧套装在中心导杆上，受力后沿导杆产生运动，避免了压缩弹簧的运动失稳，固连于所述导杆一端的弹簧限位块与所述导向限位块距离缩短，从而压缩压簧，对外提供拉力作用；上述设计采用了压簧转化设计，将压缩弹簧的受压作用力转化为弹簧拉杆组件的拉力作用，相较于采用拉簧，一旦发生断裂，将完全失去拉力功能，压簧的可靠性更高。

本发明还提供了主被动相结合的星球车自动对接系统的对接方法，包括如下步骤：

相对位置识别步骤：所述星球车识别到待对接的另一台星球车，两车靠近后，星球车具有捕获端的侧面和另一台星球车具有被捕获端的侧面靠近到一定距离；

实施对接步骤：所述捕获杆组件伸长，直至所述锁爪穿过所述捕获孔，所述锁爪张开到极限位置，所述捕获杆组件缩短，所述锁爪外端面与所述捕获孔孔沿相抵靠，所述捕获杆组件继续缩短，拉动所述对接法兰向所述捕获端对接框移动，所述结构桶与对接法兰分离，所述波纹密封桶与所述弹性拉杆组件随动伸长，直至所述对接法兰与所述捕获端对接框端部紧密贴合并密封后，所述捕获杆组件停止缩短；

分离步骤：所述锁爪收拢，所述捕获杆组件缩短至初始位置，在所述弹性拉杆组件的拉力作用下，所述对接法兰与所述捕获端对接框分离，并向所述结构桶方向移动，移动过程中，所述导向瓣伸入所述结构桶，所述波纹密封桶随之缩短，直至所述弹性拉杆组件复位。

与现有技术相比，本申请的具有以下显著进步：

1)所述捕获端主动实施对接，所述被动端用于被动接受对接，驱动装置少，相较于现有对接装置机构复杂度较低，可有效降低制造成本；

2)对接系统控制简单，无论两星球车的初始姿态偏差如何变化，只要捕获杆在捕获孔捕获范围内，仅需执行相同的控制步骤，即依次伸出捕获杆、展开锁爪、拉回捕获杆就可实现星球车对接；降低了控制难度；

3)对接系统的捕获杆穿过对接法兰倒锥孔即可具备捕获条件，捕获杆反向拉回过程中即可实现姿态校正，波纹密封筒套装在结构筒外侧，两端分别安装被捕获端连接法兰和对接法兰端面，可随被动端对接框的运动发生柔性拉伸变形及弯曲变形，并为内部腔室提供密封功能，增强了捕获装置对地形条件的适应性；

4)所述导向瓣向内倾斜安装在被动端对接框上，伸至所述结构筒内侧，整体呈锥形，在所述对接法兰与结构筒之间起到径向定位作用，初始状态，依靠弹簧拉杆组件的拉力作用及导向瓣的定位作用，所述对接法兰与结构筒紧密贴合；对接过程中所述对接法兰与结构筒分离，所述导向瓣与结构筒脱离；对接系统分离，所述对接法兰在复位过程中，所述弹簧拉杆组件可自动收缩，所述导向瓣进入结构筒后，其锥形结构具有横向偏差的校正能力，该设计使得所述对接法兰及波纹密封筒在弹簧拉杆组件的拉力作用下可自动恢复至对接前位置，无需额外的主动调整即可具备再次对接条件；

5)所述弹簧拉杆组件采用了压簧转化设计，将导杆的受拉作用转化为对压缩弹簧的压缩作用，从而提供对外的拉力，即使压缩弹簧发生断裂也不影响弹簧拉杆组件的拉力，消除了弹簧意外断裂造成失效的风险；

6)所述捕获杆组件安装在捕获端对接框外侧，所述弹性拉杆组件安装于结构桶外侧，均采用为周边布局方式，不占用对接通道，有利于宇航员顺利通过。

附图说明

图1是本发明的对接前星球车、捕获端和被捕获端的位置关系图；

图2是本发明的主被动相结合的星球车自动对接系统的结构示意图；

图3是本发明的捕获端对接框的结构示意图；

图4是本发明的被捕获端的机构示意图；

图5是对接状态下捕获端和被捕获端的剖视图；

图6是图5中a处的局部放大图；

图7是本发明的捕获杆组件的驱动装置处的结构示意图；

图8是本发明的捕获杆组件的外部结构示意图；

图9是本发明的捕获杆外筒的结构示意图；

图10是本发明的丝母套筒的结构示意图；

图11是本发明的丝杠中筒的结构示意图；

图12是本发明的回转轴的结构示意图；

图13是本发明的丝杠轴的结构示意图；

图14是本发明的被捕获端的剖视图；

图15是图14中b处的局部放大图；

图16是本发明的弹性拉杆组件收缩状态的剖视图；

图17是本发明的弹性拉杆组件拉伸状态的剖视图。

附图标记说明

1-捕获端，11-捕获端连接法兰，12-捕获端对接框、121-第二行程开关、122-橡胶密封环，13-捕获杆组件、131-捕获杆组件底板、132-底座外壳、133-捕获杆外筒、1331-第一防扭限位面、134-伸长组件、1341-第一电机、1342-第一驱动齿轮、1343-第一从动齿轮、1344-丝杠中筒、13441-外螺纹段、1345-丝母套筒、13451-第二防扭限位面、13452-内螺纹段、135-捕获组件、1350-第一行程开关、1351-第二电机、1352-第二驱动齿轮、1353-第二从动齿轮、1354-回转轴、13541-第三防扭限位面、1355-丝杠轴、13551-丝杆、13552-第四防扭限位面、1356-捕获执行器安装法兰、1357-导向螺母、1358-锁爪、1359-连杆、136-电机防尘罩；2-被捕获端，21-对接法兰、211-捕获孔、2111-倒锥面，22-导向瓣，23-结构桶，24-弹性拉杆组件、241-球座、242-导杆、243-弹性拉杆外筒、244-固定球接头、245-导向限位块、246-压缩弹簧、247-弹簧限位块、，25-波纹密封桶，26-被捕获端连接法兰；3-星球车。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式(实施例)对本发明专利申请作进一步的说明，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明专利申请，但并不作为对本发明专利申请限制的依据。

参见图1-图17，本发明提供的主被动相结合的星球车自动对接系统，包括设置于星球车3两侧的捕获端1和被捕获端2；所述捕获端1包括与星球车3侧面固联的捕获端连接法兰11，垂直固联于所述捕获端连接法兰11的捕获端对接框12，及设于所述捕获端连接法兰11外周的至少两个的捕获杆组件13，所述捕获杆组件13朝向与所述捕获端对接框12相同，所述捕获杆组件13包括依次连接的捕获杆组件底板131、底座外壳132和捕获杆外筒133，所述捕获杆组件13还包括伸长组件134和捕获组件135；所述伸长组件134包括伸长动作的驱动组件和伸长动作的执行组件，其中所述伸长动作的驱动组件包括设于底座外壳132端面的第一电机1341，所述第一电机1341输出端朝向所述底座外壳132内侧，且所述第一电机1341的输出端端部设有第一驱动齿轮1342，所述伸长动作的执行组件包括设于所述捕获杆外筒133内部并与其同心的丝杠中筒1344和丝母套筒1345，所述丝母套筒1345套设于所述丝杠中筒1344之外，两者通过螺纹副连接，所述丝杠中筒1344与所述捕获杆外筒133通过转动副连接，所述丝母套筒1345与所述捕获杆外筒133为滑动配合，位于所述底座外壳132内的所述丝杠中筒1344端部外周设有第一从动齿轮1343，所述第一从动齿轮1343与所述第一驱动齿轮1342相啮合；所述捕获组件135包括捕获动作的驱动组件和捕获动作的执行组件，所述捕获动作的驱动组件包括设于底座外壳132端面与所述第一电机1341平行设置的第二电机1351，以及设于所述第二电机1351输出端端部的第二驱动齿轮1352，所述捕获动作的执行组件包括穿过所述丝杠中筒1344并与其同心设置的回转轴1354和丝杠轴1355，所述丝杠轴1355穿过所述回转轴1354，所述丝杠轴1355与所述回转轴1354为滑动配合，所述回转轴1354与所述丝杠中筒1344通过转动副连接，位于所述底座外壳132内的所述回转轴1354底端设有与所述第二驱动齿轮1352相啮合的第二从动齿轮1353，所述第一从动齿轮1343与第二从动齿轮1353同心但高度不同，所述第一驱动齿轮1342和第二驱动齿轮1352的高度与其分别对应；所述捕获杆外筒133上端设有捕获执行器安装法兰1356，所述丝杠轴1355穿过所述捕获执行器安装法兰1356，且两者间为转动配合，所述丝杠轴1355伸出端为螺纹结构的丝杆13551，所述丝杆13551上设有与之配合的导向螺母1357，所述捕获执行器安装法兰1356的上端面沿周向均布至少两个锁爪1358所述锁爪1358中部与所述导向螺母1357之间通过连杆1359相连，所述连杆1359与所述锁爪1358和导向螺母1357均为铰接，所述锁爪1358随导向螺母1357移动实现张开和闭合；所述被捕获端2包括与星球车3侧面固联的被捕获端连接法兰26、垂直固联于所述被捕获端连接法兰26的结构桶23、搭接于所述结构桶23端部的对接法兰21、套设于所述结构桶23外且两端分别与所述被捕获端连接法兰26和对接法兰21端面固联的波纹密封桶25、以及沿被捕获端2周向均布的连接所述被捕获端连接法兰26和对接法兰21的弹性拉杆组件24；所述对接法兰21沿外周均布数目、位置与所述捕获杆组件13相对应的捕获孔211，所述对接法兰21与所述结构桶23搭接的端面处沿周向均布至少两个向结构桶23内延伸的导向瓣22，所述导向瓣22向结构桶23轴线方向倾斜；所述锁爪1358张开后呈倒伞状，外轮廓尺寸大于所述捕获孔211的直径，即张开后的锁爪1358无法通过所述捕获孔211。

所述锁爪1358、连杆1359、导向螺母1357及丝杆13551形成了基于四连杆机构原理的滑块摇杆机构，其中丝杆13551及导向螺母1357为共用件。在丝杆13551转动作用下，导向螺母1357上下移动，形成滑块机构，带动锁爪1358上下摆动，从而实现捕获锁的开合运动。

作为一个具体实施例：所述捕获杆外筒133内壁设有至少一道第一防扭限位面1331，所述丝母套筒1345外壁设有与所述第一防扭限位面1331配合的第二防扭限位面13451。

作为一个具体实施例：所述丝母套筒1345一端内表面设有公称直径小于内壁直径的内螺纹段13452。

作为一个具体实施例：所述丝杠中筒1344外壁设有与所述丝母套筒1345的内螺纹段13452相适配的外螺纹段13441，所述外螺纹段13441从所述丝杠中筒1344一端起始，直至所述丝杠中筒1344与所述捕获杆外筒133配合处。

作为一个具体实施例：所述回转轴1354内壁设有至少一道第三防扭限位面13541，所述丝杠轴1355外壁设有与所述第三防扭限位面13541配合的第四防扭限位面13552。

作为一个具体实施例：所述捕获杆组件底板131与丝杠轴1355位置对应处设有第一行程开关1350，所述捕获端对接框12外周靠近端面处设有至少一个第二行程开关121，所述捕获端对接框12端面处设有橡胶密封环122。

作为一个具体实施例：所述第一电机1341和第二电机1351外设有电机防尘罩136，所述电机防尘罩136与所述底座外壳132端面固联。

作为一个具体实施例：所述捕获孔211设有倒锥面2111，所述锁爪1358的最大张开角度与所述倒锥面2111的锥度相适配。

作为一个具体实施例：所述弹性拉杆组件24包括弹性拉杆外筒243，所述弹性拉杆外筒243一端设有固定球接头244，另一端设有导向限位块245，所述弹性拉杆外筒243内部设有与其同心的导杆242和套设于导杆上的压缩弹簧246，所述导杆242一端穿过所述导向限位块245，伸出于所述弹性拉杆外筒243，其端部为球接头，所述导杆242另一端设有弹簧限位块247，与所述压缩弹簧246设于所述导向限位块245和弹簧限位块247之间，位于两端的球接头分别与球座241配合，所述球座241分别与被捕获端连接法兰26和对接法兰21相对设置的端面固联。

本申请还提出了主被动相结合的星球车自动对接方法，包括如下步骤：

相对位置识别步骤：所述星球车3识别到待对接的另一台星球车3，两车靠近后，星球车3具有捕获端1的侧面和另一台星球车3具有被捕获端2的侧面靠近到一定距离；

实施对接步骤：所述捕获杆组件13伸长，直至所述锁爪1358穿过所述捕获孔211，所述锁爪1358张开到极限位置，所述捕获杆组件13缩短，所述锁爪1358外端面与所述捕获孔211孔沿相抵靠，所述捕获杆组件13继续缩短，拉动所述对接法兰21向所述捕获端对接框12移动，所述结构桶23与对接法兰21分离，所述波纹密封桶25与所述弹性拉杆组件24随动伸长，直至所述对接法兰21与所述捕获端对接框12端部紧密贴合并密封后，所述捕获杆组件13停止缩短；

分离步骤：所述锁爪1358收拢，所述捕获杆组件13缩短至初始位置，在所述弹性拉杆组件24的拉力作用下，所述对接法兰21与所述捕获端对接框12分离，并向所述结构桶23方向移动，移动过程中，所述导向瓣22伸入所述结构桶23，所述波纹密封桶25随之缩短，直至所述弹性拉杆组件24复位。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。