本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種欠驅(qū)動(dòng)空間抓捕機(jī)構(gòu)及抓捕方法。

背景技術(shù)：

在航天領(lǐng)域，空間機(jī)器人在空間任務(wù)中扮演了越來越重要的角色。利用空間機(jī)器人實(shí)施空間設(shè)備維修，模塊更換，加注燃料和清除空間碎片等在軌服務(wù)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。由于在軌服務(wù)需要建立在捕獲服務(wù)對(duì)象的基礎(chǔ)之上，因此抓捕機(jī)構(gòu)是空間機(jī)器人執(zhí)行在軌服務(wù)任務(wù)的重要部分。

抓捕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要與被抓捕目標(biāo)的特征相匹配，在空間中，目標(biāo)可以大致分為兩類，第一類是設(shè)計(jì)了專用被抓持機(jī)構(gòu)的目標(biāo)，這類目標(biāo)一般為合作目標(biāo)；第二類是并沒有設(shè)計(jì)專門被抓持機(jī)構(gòu)的目標(biāo)，這類目標(biāo)可以是合作目標(biāo)，也可以是非合作目標(biāo)，大多數(shù)在軌飛行目標(biāo)屬于這類目標(biāo)。

針對(duì)第一類目標(biāo)，現(xiàn)有的抓捕機(jī)構(gòu)有rotex手爪，抓捕目標(biāo)為桁架；日本的ets-vii項(xiàng)目中，nasda研制的半靈巧三指手爪，以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的ts-4衛(wèi)星空間機(jī)械臂上的抓捕機(jī)構(gòu)，抓捕目標(biāo)都為特定的圓柱形把手；美國oe計(jì)劃中抓捕機(jī)構(gòu)為三個(gè)抓手，抓捕目標(biāo)為衛(wèi)星對(duì)接配適器。這些空間抓捕機(jī)構(gòu)都是針對(duì)特定的把手或者對(duì)接器而設(shè)計(jì)的，只能抓捕一種目標(biāo)，適用性不強(qiáng)。

針對(duì)第二類目標(biāo)，即沒有特定的被抓持機(jī)構(gòu)，尤其是非合作目標(biāo)。但是大多數(shù)在軌飛行器上都包含星箭對(duì)接環(huán)，分離螺栓，遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，太陽帆板支架和太陽帆板等常見結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的形狀在國際上都比較統(tǒng)一，并且有足夠的強(qiáng)度承受抓捕力。可以將這些常見結(jié)構(gòu)作為抓捕目標(biāo)點(diǎn)?，F(xiàn)有的針對(duì)第二類目標(biāo)的抓捕機(jī)構(gòu)有歐空局ess項(xiàng)目中抓捕遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的改錐型抓捕機(jī)構(gòu)。美國frend項(xiàng)目的螺栓抓取器。這兩種抓捕機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是小巧簡(jiǎn)便，但是同樣只能抓捕噴管這類目標(biāo)，并且對(duì)抓捕控制精度要求極高，幾乎很難實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)的抓捕。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種欠驅(qū)動(dòng)空間抓捕機(jī)構(gòu)及抓捕方法，克服在抓捕過程中以及抓捕完成后容易使抓捕對(duì)象脫離，且其對(duì)抓捕對(duì)象的形狀體積有嚴(yán)格適用要求的劣勢(shì)。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種欠驅(qū)動(dòng)空間抓捕機(jī)構(gòu)，包括球型鉸鏈和四個(gè)分支機(jī)構(gòu)，每個(gè)所述分支機(jī)構(gòu)分別通過第一蝸桿與所述球型鉸鏈連接，四個(gè)所述分支機(jī)構(gòu)間隔°設(shè)置，所述球形鉸鏈中垂直設(shè)置有兩個(gè)電機(jī)，所述第一蝸桿套裝在所述電機(jī)內(nèi)，每個(gè)所述電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)位于同一直線上的兩個(gè)所述分支機(jī)構(gòu)，每個(gè)所述分支機(jī)構(gòu)上設(shè)置有黏附板用于抓捕。

進(jìn)一步的，所述分支機(jī)構(gòu)從左到右依次設(shè)置有第一黏附板、第二黏附板和第三黏附板，所述球型鉸鏈通過所述第一蝸桿與所述第一黏附板連接用于傳動(dòng)，所述第一黏附板與所述第二黏附板連接，所述第三黏附板為欠驅(qū)動(dòng)黏附板，在所述第二黏附板受到壓力沖擊時(shí)，向靠近所述第二黏附板側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述第二黏附板的左側(cè)設(shè)置有第一連接軸，所述第一連接軸上設(shè)置有渦輪，所述渦輪通過第二蝸桿與所述第一黏附板連接。

進(jìn)一步的，所述第二黏附板的右側(cè)設(shè)置有用于連接所述第三黏附板的第二連接軸，所述第二連接軸上設(shè)置有第二傳動(dòng)輪，所述第一連接軸上設(shè)置有第一傳動(dòng)輪，所述第一傳動(dòng)輪和第二傳動(dòng)輪之間通過傳送帶連接。

進(jìn)一步的，所述第一連接軸和第二連接軸的兩端分別通過固定銷與所述第二黏附板和第三黏附板固定連接。

進(jìn)一步的，所述渦輪上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述球形鉸鏈的直徑為300mm，所述第一蝸桿的長度為100mm，所述第一黏附板、第二黏附板和第三黏附板的長度為200～600mm，寬度為50～150mm，厚度為30～90mm。

進(jìn)一步的，所述黏附板的表面上覆蓋一層聚二甲基硅氧烷復(fù)合黏附層，所述復(fù)合黏附層的粘附力為36～100n/cm²。

一種欠驅(qū)動(dòng)空間抓捕方法，包括以下步驟：

s1、當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并初步辨識(shí)后，抓捕機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)體附近，將其包圍；

s2、當(dāng)目標(biāo)體積較小時(shí)，球形鉸鏈中的電機(jī)開始運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)第一黏附板進(jìn)行閉合轉(zhuǎn)動(dòng)，第二黏附板中驅(qū)動(dòng)電機(jī)不運(yùn)行，當(dāng)黏附板貼近目標(biāo)體并黏附后，運(yùn)動(dòng)停止；

s3、當(dāng)目標(biāo)體積較大時(shí)，球形鉸鏈中的電機(jī)不運(yùn)行，第二黏附板中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，第二黏附板閉合轉(zhuǎn)動(dòng)并接觸到目標(biāo)體進(jìn)行黏附，第三黏附板進(jìn)行閉合轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)谌じ桨屦じ阶∧繕?biāo)體后，運(yùn)動(dòng)停止。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明欠驅(qū)動(dòng)空間抓捕機(jī)構(gòu)通過球型鉸鏈連接四個(gè)分支機(jī)構(gòu)，由球型鉸鏈內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)分支機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓捕，在每個(gè)分支機(jī)構(gòu)上設(shè)置黏附板，采取以干黏附技術(shù)為空間抓捕的主要突破點(diǎn)，由于干黏附的物理性質(zhì)特殊，在遇到撞擊及側(cè)滑時(shí)不僅不會(huì)降低黏附效果，反而會(huì)增強(qiáng)黏附力，以致于目標(biāo)體的自轉(zhuǎn)等姿態(tài)運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響抓捕效果，又因?yàn)閷?duì)目標(biāo)體的形狀大小適用性好，所以降低了對(duì)精確辨識(shí)的依賴。

進(jìn)一步的，適用抓捕對(duì)象范圍廣，突破手爪，網(wǎng)兜對(duì)抓捕對(duì)象的限制，可抓捕的對(duì)象適用范圍極廣，以立方星為例，可適用于400*400*400mm～800*800*800mm體積范圍的所有目標(biāo)，并且經(jīng)過改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的抓捕，突破了以往抓捕機(jī)構(gòu)只能針對(duì)某一類目標(biāo)體進(jìn)行抓捕的限制。

進(jìn)一步的，增強(qiáng)聚二甲基硅氧烷(pdms/cnt)復(fù)合黏附材料與cnt相比，表面能與化學(xué)性能更優(yōu)，其黏附性能得到明顯改善，并具有良好的可重復(fù)使用性能，經(jīng)過陸地設(shè)備測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在真空環(huán)境中的黏附性能甚至超越在普通大氣中測(cè)試的性能，所以這更有利于推動(dòng)干黏附原理應(yīng)用于航天器完成各項(xiàng)任務(wù)。

本發(fā)明還公開了一種欠驅(qū)動(dòng)空間抓捕機(jī)構(gòu)抓捕方法，根據(jù)目標(biāo)體積的大小，選擇球形鉸鏈和第二黏附板中的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成整個(gè)抓捕，根據(jù)需要開關(guān)電機(jī)，節(jié)省能源，在抓捕中，針對(duì)不同類型體積的目標(biāo)體，球型鉸鏈中的電機(jī)和第二黏附板中的電機(jī)分別開關(guān)，節(jié)省了能源,以助于增強(qiáng)續(xù)航能力，減少了以往抓捕過程中對(duì)控制的復(fù)雜要求，整個(gè)方法簡(jiǎn)單易實(shí)施控制。

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明抓捕機(jī)構(gòu)的主視圖；

圖2為本發(fā)明抓捕機(jī)構(gòu)的左視圖；

圖3為本發(fā)明第二黏附板和第三黏附板的連接立體圖；

圖4為本發(fā)明第二黏附板和第三黏附板的連接主視圖；

圖5為本發(fā)明第二黏附板和第三黏附板的連接左視圖；

圖6為本發(fā)明第二黏附板和第三黏附板的工作示意圖；

圖7為本發(fā)明第一蝸桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例一示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例二示意圖。

其中：1.球形鉸鏈；2.第一蝸桿；3.第一連接軸；4.第一黏附板；5.第二黏附板；6.第三黏附板；7.渦輪；8.固定銷；9.第二連接軸；10.第一傳動(dòng)輪；11.傳送帶；12.電機(jī)；13.第二傳動(dòng)輪。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

本發(fā)明提供了一種欠驅(qū)動(dòng)抓捕機(jī)構(gòu)，采用四個(gè)分支機(jī)構(gòu)組成抓捕手臂，每個(gè)分支機(jī)構(gòu)上設(shè)置有若干黏附板，在每個(gè)黏附板的表面上覆蓋一層聚二甲基硅氧烷(pdms/cnt)復(fù)合黏附層，將欠驅(qū)動(dòng)抓捕機(jī)構(gòu)與黏附性的復(fù)合層結(jié)合起來，通過黏附力抓捕目標(biāo)，增強(qiáng)黏附力，實(shí)現(xiàn)精確抓捕。

請(qǐng)參閱圖1和圖2，本發(fā)明一種欠驅(qū)動(dòng)抓捕機(jī)構(gòu)的分支機(jī)構(gòu)包括四個(gè)，四個(gè)所述分支機(jī)構(gòu)通過球型鉸鏈1連接成一體，其中，兩個(gè)所述分支機(jī)構(gòu)水平設(shè)置，剩余兩個(gè)所述分支機(jī)構(gòu)豎直設(shè)置，四個(gè)分支機(jī)構(gòu)固定在中心球形鉸鏈1的四周，形成對(duì)物體的包圍，每個(gè)分支機(jī)構(gòu)間隔角度為90°，所述球形鉸鏈1中裝有兩臺(tái)電機(jī)12，兩臺(tái)所述電機(jī)12垂直放置，每個(gè)所述電機(jī)12用于驅(qū)動(dòng)位于同一直線上的兩個(gè)分支機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓捕。

請(qǐng)參閱圖7，所述第一蝸桿2套裝在所述電機(jī)12內(nèi)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

每個(gè)分支機(jī)構(gòu)部件從左到右依次包括第一蝸桿2、第一黏附板4、第二黏附板5和第三黏附板6，所述第一蝸桿2的一端與所述球型鉸鏈1內(nèi)的電機(jī)12連接，另一端與所述第一黏附板4連接用于傳動(dòng)，所述第一黏附板4與所述第二黏附板5連接，所述第三黏附板6為欠驅(qū)動(dòng)黏附板，在所述第二黏附板5受到壓力沖擊時(shí)，自動(dòng)向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

請(qǐng)參閱圖3至圖6，所述第二黏附板5的左側(cè)設(shè)置有第一連接軸3，所述第一連接軸3上設(shè)置有渦輪7，所述渦輪7通過第二蝸桿與所述第一黏附板4連接。

所述第二黏附板5的右側(cè)設(shè)置有用于連接所述第三黏附板6的第二連接軸9，所述第二連接軸9上設(shè)置有第二傳動(dòng)輪13，所述第一連接軸3上設(shè)置有第一傳動(dòng)輪10，所述第一傳動(dòng)輪10和第二傳動(dòng)輪13之間通過傳送帶11連接。

所述渦輪7上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述渦輪7轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述第一連接軸3和第二連接軸9的兩端分別通過固定銷8與所述第二黏附板5和第三黏附板6固定連接。

抓捕機(jī)構(gòu)的尺寸如下：球形鉸鏈1的直徑為300mm，第一蝸桿2的長度為100mm，第一黏附板4、第二黏附板5和第三黏附板6的長度為200～600mm，寬度為50～150mm，厚度為30～90mm。

一種欠驅(qū)動(dòng)空間抓捕機(jī)構(gòu)的抓捕方法，包括以下步驟：

s1、當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并初步辨識(shí)后，抓捕機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)體附近，將其包圍；

s2、當(dāng)目標(biāo)體積較小時(shí)，球形鉸鏈中的電機(jī)開始運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)第一黏附板進(jìn)行閉合轉(zhuǎn)動(dòng)，第二黏附板中驅(qū)動(dòng)電機(jī)不運(yùn)行，當(dāng)黏附板貼近目標(biāo)體并黏附后，運(yùn)動(dòng)停止；

s3、當(dāng)目標(biāo)體積較大時(shí)，球形鉸鏈中的電機(jī)不運(yùn)行，第二黏附板中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，第二黏附板閉合轉(zhuǎn)動(dòng)并接觸到目標(biāo)體進(jìn)行黏附，第三黏附板進(jìn)行閉合轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)谌じ桨屦じ阶∧繕?biāo)體后，運(yùn)動(dòng)停止。

實(shí)施例1

請(qǐng)參閱圖8，機(jī)構(gòu)抓捕小型立方體400*400*400mm時(shí)，當(dāng)靠近目標(biāo)并貼近后，球形鉸鏈中相互垂直的兩臺(tái)電機(jī)12運(yùn)行，第二黏附板5中驅(qū)動(dòng)電機(jī)不運(yùn)行，故此時(shí)第一黏附板4.第二黏附板5和第三黏附板6為一整體，球形鉸鏈1中電機(jī)12通過第一蝸桿2帶動(dòng)第一黏附板4進(jìn)行閉合轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)黏附板貼近目標(biāo)體并黏附后，運(yùn)動(dòng)停止，隨即進(jìn)行清理任務(wù)或其它。

實(shí)施例2

請(qǐng)參閱圖9，機(jī)構(gòu)抓捕大型立方體800*800*800mm時(shí)，當(dāng)靠近目標(biāo)并貼近后，球形鉸鏈1中電機(jī)12不運(yùn)行，第二黏附板5中驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)第一黏附板4與球形鉸鏈1，第一蝸桿2為一整體，第二黏附板5閉合轉(zhuǎn)動(dòng)并接觸到目標(biāo)體時(shí)，首先通過其上黏附層進(jìn)行黏附，又因?yàn)槭艿綁毫白矒袅?，促使第三黏附?即欠驅(qū)動(dòng)黏附板進(jìn)行閉合轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)欠驅(qū)動(dòng)黏附板黏附住目標(biāo)體后，運(yùn)動(dòng)停止，隨機(jī)進(jìn)行清理任務(wù)或其它。

通過化學(xué)氣相沉積法(chemicalvapordeposition，cvd)制備的垂直定向排列cnt陣列，結(jié)構(gòu)可控，抗壓縮性能、黏附性能優(yōu)良，微米級(jí)的碳納米管束和納米級(jí)的單根碳納米管層級(jí)結(jié)構(gòu)與壁虎腳掌的剛毛束、絨毛匙突具有尺度、結(jié)構(gòu)相似性，因此被用于仿壁虎爬壁機(jī)器人腳掌仿生吸附材料。在硅基底上制備圖形化cnt陣列，獲得了36n/cm²的黏附力，甚至實(shí)現(xiàn)了cnt陣列100n/cm²的黏附力，是壁虎腳的10倍，并且cnt黏附陣列以范德華力為主要黏附機(jī)制的理論也已經(jīng)被認(rèn)可，因此cnt成為在空間環(huán)境中發(fā)揮黏附作用的首選材料。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。