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自适用可复用空间附着捕获装置
申请号	CN202410230546.X	申请日	2024-02-29	公开(公告)号	CN117902070A	公开(公告)日	2024-04-19
申请人	中国空间技术研究院;			发明人	解正友; 陈新龙; 朱孟萍; 郭继唐; 陈大可; 任雅静; 高原;
摘要	本发明涉及一种自适应可复用空间附着捕获装置，包括：阻尼可控缓冲单元、附着单元、压力检测装置、分离单元和控制单元，附着单元的基板上设有仿生黏附材料；附着单元的一端与阻尼可控缓冲单元连接；压力检测装置，用于实时测量附着捕获装置与目标接触过程中的碰撞力；分离单元用于驱动仿生黏附材料与目标分离；控制单元可根据压力检测装置的检测结果驱动阻尼可控缓冲单元输出预压阻尼，以及驱动分离单元沿基板伸缩设置。本发明根据压力检测结果控制阻尼可控缓冲单元提供可控可变的阻尼力，可向附着单元提供适当的预压力，提高了目标的捕获效果；附着单元可通过分离单元与目标分离，实现附着捕获装置的回收复用。
权利要求	1.一种自适应可复用空间附着捕获装置，其特征在于，包括：阻尼可控缓冲单元(4)，其一端用于与飞行器平台连接；附着单元(1)，包括基板(101)，所述基板(101)上设有仿生黏附材料(7)；所述附着单元(1)的远离所述仿生黏附材料(7)的一端与所述阻尼可控缓冲单元(4)的另一端连接；压力检测装置，设置在所述附着单元(1)上，用于实时测量附着捕获装置与目标(10)接触过程中的碰撞力；分离单元，设置在所述基板(101)上，用于驱动所述仿生黏附材料(7)与所述目标(10)分离；控制单元，与所述阻尼可控缓冲单元(4)、所述分离单元以及所述压力检测装置电连接，用于根据所述压力检测装置的检测结果驱动所述阻尼可控缓冲单元(4)输出预压阻尼，以及驱动所述分离单元沿所述基板(101)伸缩设置。 2.根据权利要求1所述的自适应可复用空间附着捕获装置，其特征在于，所述分离单元包括：驱动电机(107)，设置在所述基板(101)的顶板上，其输出轴上设有主动齿轮(104)；从动齿轮(105)，与所述主动齿轮(104)啮合；凸轮(106)，与所述从动齿轮(105)通过传动轴(109)同轴设置，通过传动轴支架(110)设置在所述基板(101)的顶面上；所述基板(101)上设有凸轮伸出孔(103)，所述传动轴(109)平行于所述基板(101)设置，所述凸轮(106)转动设置在所述凸轮伸出孔(103)内。 3.根据权利要求2所述的自适应可复用空间附着捕获装置，其特征在于，所述阻尼可控缓冲单元(4)包括：阻尼器壳体，其内部设有中空的阻尼介质内腔；所述阻尼介质内腔内填充有磁流变液(403)；活塞杆(401)，其一端插入设置在所述阻尼介质内腔内，沿所述阻尼介质内腔伸缩设置；其另一端与所述附着单元(1)连接；线圈(402)，设置在所述磁流变液(403)内；所述线圈(402)与所述控制单元电连接。 4.根据权利要求3所述的自适应可复用空间附着捕获装置，其特征在于，所述阻尼器壳体的远离所述活塞杆(401)的一端设有系绳(5)。 5.根据权利要求3所述的自适应可复用空间附着捕获装置，其特征在于，所述控制单元包括控制器(8)和电源(9)，所述控制器(8)和所述电源(9)设置在所述阻尼器壳体内，所述控制器(8)与所述电源(9)电连接；所述控制器(8)与所述线圈(402)电连接。 6.根据权利要求3所述的自适应可复用空间附着捕获装置，其特征在于，还包括球铰自适应单元(2)，包括：弹簧连接板(203)，套设在所述活塞杆(401)上，所述压力检测装置为压力传感器(3)，所述压力传感器(3)设置在所述活塞杆(401)与所述弹簧连接板(203)之间；球铰(201)，其两端分别与所述活塞杆(401)和所述附着单元(1)连接；所述附着单元(1)设置附着壳体(102)，所述球铰(201)与所述附着壳体(102)的顶面铰接；弹簧(202)，其两端分别与所述弹簧连接板(203)和所述附着壳体(102)连接。 7.根据权利要求6所述的自适应可复用空间附着捕获装置，其特征在于，还包括推杆复位单元(6)，设置在所述阻尼器壳体上，包括推杆驱动装置和设置在所述推杆驱动装置上的推杆(601)，所述推杆(601)沿所述阻尼器壳体的靠近所述弹簧连接板(203)的端面伸缩设置。 8.根据权利要求6所述的自适应可复用空间附着捕获装置，其特征在于，所述弹簧(202)为四个，在所述球铰(201)的四周均匀布设。
说明书全文	自适用可复用空间附着捕获装置技术领域 [0001] 本发明涉及空间非合作目标捕获技术领域，尤其涉及一种自适用可复用空间附着捕获装置。背景技术 [0002] 基于范德华力作用机制的仿生黏附材料具有高黏附力、可反复黏脱附等特点，而且能够适应多种材质形貌的物体表面，在空间领域有着广泛的应用前景。例如，将末端集成有仿生黏附材料的空间附着捕获装置朝着空间非合作目标弹射出，空间附着捕获装置与目标碰撞接触并建立附着连接，可实现对空间非合作目标的捕获。 [0003] 附着捕获方法可应用于空间碎片等非合作目标的捕获上，相比传统的机械臂等刚性捕获方式，具有操作距离远、操作方式简单、对平台控制要求低、不受目标外形尺寸影响、捕获过程不会产生碎片等显著优点。 [0004] 空间附着捕获装置捕获目标后，与目标间形成的黏附力大小与附着捕获装置末端的仿生黏附材料所受到的预压力有关，预压力来源于附着捕获装置与目标的接触碰撞，因此，碰撞力的大小将直接影响附着捕获装置与目标的黏附效果，当碰撞力过小，将不能为黏附材料提供足够的预压力，而碰撞力过大，可能导致黏附材料失效，甚至造成装置和目标损毁，因此，要求附着捕获装置能够在碰撞过程内为黏附材料提供合适预压条件。另一方面，对于空间非合作目标捕获来说，由于入轨成本较高，因此希望空间附着捕获装置具备可重复使用能力。 [0005] 然而目前对于能够实现碰撞过程预压力控制的自适应可复用的空间附着捕获装置研究还较少。 [0006] 中国发明专利CN103863583A提供了一种飞舌抓捕机构，包括驱动弹射机构、飞舌捕获机构、柔性索机构、解锁释放机构、轮转换装机构、瞄校系统、飞行器平台安装板；整个机构通过飞行器平台安装板与飞行器本体刚性连接；瞄校系统确定捕获目标后，驱动弹射机构推动飞舌捕获机构带动柔性索机构从飞舌弹射窗口弹出，飞舌捕获机构捕获目标，需要丢弃目标时，由解锁释放机构切断柔性索机构，驱动电机的输出轴与转动内轮环的中心轴连接，由驱动电机带动转动内轮环转动，进而带动下一个飞舌捕获机构位于飞舌弹射窗口位置，进行下一次捕获。 [0007] 上述方案仅通过阻尼提供预压力，对于不同的目标和捕获距离，不能进行自动调节；同时，抓捕装置不能回收。发明内容 [0008] 为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种的自适应可复用空间附着捕获装置，可在捕获过程中提供适当的预压条件，同时还可实现附着捕获装置的回收。 [0009] 为实现上述发明目的，本发明提供一种自适应可复用空间附着捕获装置，包括： [0010] 阻尼可控缓冲单元，其一端用于与飞行器平台连接； [0011] 附着单元，包括基板，所述基板上设有仿生黏附材料；所述附着单元的远离所述仿生黏附材料的一端与所述阻尼可控缓冲单元的另一端连接； [0012] 压力检测装置，设置在所述附着单元上，用于实时测量附着捕获装置与目标接触过程中的碰撞力； [0013] 分离单元，设置在所述基板上，用于驱动所述仿生黏附材料与所述目标分离； [0014] 控制单元，与所述阻尼可控缓冲单元、所述分离单元以及所述压力检测装置电连接，用于根据所述压力检测装置的检测结果驱动所述阻尼可控缓冲单元输出预压阻尼，以及驱动所述分离单元沿所述基板伸缩设置。 [0015] 根据本发明的一个技术方案，所述分离单元包括： [0016] 驱动电机，设置在所述基板的顶板上，其输出轴上设有主动齿轮； [0017] 从动齿轮，与所述主动齿轮啮合； [0018] 凸轮，与所述从动齿轮通过传动轴同轴设置，通过传动轴支架设置在所述基板的顶面上；所述基板上设有凸轮伸出孔，所述传动轴平行于所述基板设置，所述凸轮转动设置在所述凸轮伸出孔内。 [0019] 根据本发明的一个技术方案，所述阻尼可控缓冲单元包括： [0020] 阻尼器壳体，其内部设有中空的阻尼介质内腔；所述阻尼介质内腔内填充有磁流变液； [0021] 活塞杆，其一端插入设置在所述阻尼介质内腔内，沿所述阻尼介质内腔伸缩设置；其另一端与所述附着单元连接； [0022] 线圈，设置在所述磁流变液内；所述线圈与所述控制单元电连接。 [0023] 根据本发明的一个技术方案，所述阻尼器壳体的远离所述活塞杆的一端设有系绳。 [0024] 根据本发明的一个技术方案，所述控制单元包括控制器和电源，所述控制器和所述电源设置在所述阻尼器壳体内，所述控制器与所述电源电连接；所述控制器与所述线圈电连接。 [0025] 根据本发明的一个技术方案，还包括球铰自适应单元，包括： [0026] 弹簧连接板，套设在所述活塞杆上，所述压力检测装置为压力传感器，所述压力传感器设置在所述活塞杆与所述弹簧连接板之间； [0027] 球铰，其两端分别与所述活塞杆和所述附着单元连接；所述附着单元设置附着壳体，所述球铰与所述附着壳体的顶面铰接； [0028] 弹簧，其两端分别与所述弹簧连接板和所述附着壳体连接。 [0029] 根据本发明的一个技术方案，还包括推杆复位单元，设置在所述阻尼器壳体上，包括推杆驱动装置和设置在所述推杆驱动装置上的推杆，所述推杆沿所述阻尼器壳体的靠近所述弹簧连接板的端面伸缩设置。 [0030] 根据本发明的一个技术方案，所述弹簧为四个，在所述球铰的四周均匀布设。 [0031] 本发明与现有技术相比，具有如下有益效果： [0032] 本发明提出了一种自适应可复用空间附着捕获装置，附着捕获装置集成了阻尼可控缓冲单元、附着单元、压力检测装置、分离单元和控制单元，可根据压力检测结果实时调控碰撞过程中阻尼可控缓冲单元输出的阻尼力，进而为仿生黏附材料提供合适的预压力，从而更好地黏附捕获目标； [0033] 分离单元设置在附着单元上，包括驱动电机、主动齿轮、从动齿轮、凸轮和传动轴，可通过驱动电机控制凸轮转动，实现附着捕获装置与目标的脱附，方便附着捕获装置的回收复用。 [0034] 本发明提供的附着捕获装置结构简单，易于实现，相比传统的机械臂等刚性捕获方式，具有操作距离远、操作方式简单、对平台控制要求低、不受目标外形尺寸影响、捕获过程不会产生碎片等显著优点。 [0035] 阻尼可控缓冲单元上设置推杆复位单元，可实现活塞杆的复位，方便阻尼可控缓冲单元的复用；附着单元与阻尼可控缓冲单元通过球铰自适应单元连接，球铰自适应单元包括球铰和弹簧，可提高附着捕获装置对目标的姿态容差适应能力，使附着捕获装置即使在倾斜碰撞目标时也能很好地贴合目标表面。附图说明 [0036] 为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域普通技术人员而言，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。 [0037] 图1示意性表示根据本发明一个实施例中提供的自适应可复用空间附着捕获装置的立体图； [0038] 图2示意性表示根据本发明一个实施例中提供的适应可复用空间附着捕获装置的剖面示意图； [0039] 图3示意性表示根据本发明一个实施例中提供的附着单元的结构示意图； [0040] 图4示意性表示根据本发明一个实施例中提供的自适应可复用空间附着捕获装置的倾斜碰撞目标时的示意图； [0041] 图5示意性表示根据本发明一个实施例中提供的自适应可复用空间附着捕获装置的应用流程示意图。 [0042] 其中，部件名称与附图标记之间的关系如下： [0043] 1、附着单元；2、球铰自适应单元；3、压力传感器；4、阻尼可控缓冲单元；5、系绳；6、推杆复位单元；7、仿生黏附材料；8、控制器；9、电源；10、目标； [0044] 101、基板；102、附着壳体；103、凸轮伸出孔；104、主动齿轮；105、从动齿轮；106、凸轮；107、驱动电机；108、电机支架；109、传动轴；110、传动轴支架； [0045] 201、球铰；202、弹簧；203、弹簧连接板； [0046] 401、活塞杆；402、线圈；403、磁流变液； [0047] 601、推杆； [0048] 2021、受压侧弹簧；2022、受拉侧弹簧。具体实施方式 [0049] 此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。 [0050] 此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。 [0051] 如图1所示，本发明的一种自适应可复用空间附着捕获装置，包括阻尼可控缓冲单元4、附着单元1、分离单元和控制单元。阻尼可控缓冲单元4的一端用于与飞行器平台连接，附着单元1与阻尼可控缓冲单元4的另一端连接，附着单元1的基板101上设有设有仿生黏附材料7，用于附着在目标10上，对目标10进行捕获。压力检测装置设置在附着单元1上，用于实时测量附着捕获装置与目标10接触过程中的碰撞力。分离单元设置在基板101上，用于驱动仿生黏附材料7与目标10分离；控制单元与阻尼可控缓冲单元4、分离单元以及压力检测装置电连接，用于根据压力检测装置的检测结果驱动阻尼可控缓冲单元4输出预压阻尼，以及驱动分离单元沿基板101伸缩设置。 [0052] 通过控制单元根据压力检测装置的检测结果驱动阻尼可控缓冲单元4输出预压阻尼，可在附着单元1对目标10进行捕获时提供适当的预压力，在保证对目标10进行成功捕获的同时，避免附着单元1与目标10间的碰撞力较大造成目标10损毁。通过控制单元驱动分离单元在基板101上伸缩设置，使附着单元1与目标10分离，实现附着捕获装置的重复使用。 [0053] 根据本发明的一个技术方案，附着单元1包括附着壳体102和基板101，附着壳体102的远离仿生黏附材料7的一端与阻尼可控缓冲单元4的另一端连接。附着壳体102与基板 101围成附着壳体内腔，分离单元设置在附着壳体内腔内。 [0054] 分离单元包括驱动电机107、从动齿轮105、凸轮106。驱动电机107通过电极支架108设置在基板101的顶板上，驱动电机107的输出轴上设有主动齿轮104。从动齿轮105与凸轮106通过传动轴109同轴设置，从动齿轮105、凸轮106与传动轴109通过传动轴支架110设置在基板101的顶面上。从动齿轮105与主动齿轮104啮合。基板101上设有凸轮伸出孔103，传动轴109平行于基板101设置，凸轮106转动设置在凸轮伸出孔103内。 [0055] 通过驱动电机107驱动主动齿轮104转动，并通过主动齿轮104与从动齿轮105啮合，带动传动轴109和凸轮106在凸轮伸出孔103内转动，使凸轮106的端面相对基板101的底面伸缩设置，通过凸轮106的摆动，可将仿生黏附材料7与目标10分离，实现脱附动作。 [0056] 根据本发明的一个技术方案，阻尼可控缓冲单元4包括阻尼器壳体、活塞杆401和线圈402。阻尼器壳体的内部设有中空的阻尼介质内腔，阻尼介质内腔内填充有磁流变液403。活塞杆401的一端插入设置在阻尼介质内腔内、沿阻尼介质内腔伸缩设置，其另一端与附着单元1的附着壳体102连接。线圈402设置在磁流变液403内，线圈402与控制单元电连接。 [0057] 通过控制单元控制线圈402的电流大小，可产生不同强度的磁场，使磁流变液403的粘度随磁场发生改变，提供可变且大小可控的阻尼力，并通过活塞杆401将阻尼力传递给附着单元1，实现向附着单元1提供预压力。 [0058] 根据本发明的一个技术方案，阻尼器壳体的远离活塞杆401的一端设有系绳5，自适应可复用空间附着捕获装置通过系绳5与飞行器平台连接，飞行器平台通过系绳5拖拽目标，并回收附着捕获装置。 [0059] 根据本发明的一个技术方案，控制单元包括控制器8和电源9，控制器8和电源9设置在阻尼器壳体内，控制器8与电源9电连接；控制器8与线圈402电连接，可通过阻尼器壳体对控制单元起到保护作用。 [0060] 根据本发明的一个技术方案，还包括球铰自适应单元2，用于提高附着捕获装置对目标的姿态容差适应能力。球铰自适应单元2包括球铰201、弹簧202和弹簧连接板203。弹簧连接板203套设在活塞杆401上，压力检测装置为压力传感器3，压力传感器3设置在活塞杆401与弹簧连接板203之间。压力传感器3可为薄膜式压力传感器，通过活塞杆401与弹簧连接板203连接处的相对位移，测量附着捕获装置与目标10的碰撞力。球铰201的两端分别与活塞杆401和附着壳体102的顶面连接。弹簧202的两端分别与弹簧连接板203和附着壳体 102连接。弹簧202为四个，在球铰201的四周均匀布设，用于使附着捕获装置在与目标10碰撞时保持一定的平衡，避免造成压力传感器3的损毁，同时通过弹簧202为附着壳体102提供一定的预压力，使附着捕获装置在倾斜碰撞目标10时也能更好地贴合目标10的表面。 [0061] 图4所示，当附着捕获装置以倾斜姿态碰撞目标10时，受压侧弹簧2021为基板101提供预压力，受拉侧弹簧2022拉紧弹簧连接板203与附着单元1，使基板101更好地贴合目标10的表面。 [0062] 根据本发明的一个技术方案，阻尼器壳体上还设置有推杆复位单元6，推杆复位单元6包括推杆驱动装置和设置在推杆驱动装置上的推杆601，推杆601沿阻尼器壳体的靠近弹簧连接板203的端面伸缩设置。推杆驱动装置可以为电动推杆，与控制器8电连接。通过控制器8控制推杆驱动装置驱动推杆601伸出阻尼器壳体并抵靠在弹簧连接板203上，推动弹簧连接板203向远离阻尼器壳体的方向移动，使推杆601复位。 [0063] 本发明提供的自适应可复用空间附着捕获装置的使用方法，包括以下步骤： [0064] 步骤S1、附着捕获装置由飞行器平台朝着目标弹射出，附着捕获装置在接触目标时，压力传感器3通过检测到力信号的跳变感知到接触并实时测量碰撞力大小，控制器8基于压力传感器3的测量信号实时调节阻尼可控缓冲单元4的阻尼力，从而将碰撞力调节到预设数值附近，为基板101上的仿生黏附材料7提供合适的预压力，以使仿生黏附材料7具有最佳黏附效果，实现对目标附着捕获； [0065] 步骤S2、在目标捕获过程中，阻尼可控缓冲单元4逐渐被压缩，捕获完成后，活塞杆401被压进缓冲单元4内；该状态下，飞行器平台可通过附着捕获装置后端的柔性系绳5拖曳目标至预定位置； [0066] 步骤S3、完成拖曳任务后，附着捕获装置需要与目标脱附分离；此时，控制器8发出脱附指令，控制附着单元1里的驱动电机107动作，通过齿轮带动凸轮106摆动，凸轮106顶开目标，实现与目标脱附分离； [0067] 步骤S4、完成与目标脱附分离后，附着捕获装置需要完成复位；此时，控制器8控制推杆复位单元6动作，推杆601伸出，推动弹簧连接板203和活塞杆401复位；同时，驱动电机107动作，使齿轮和凸轮106复位； [0068] 步骤S5、控制器8控制推杆复位单元6的推杆601缩回原位，附着捕获装置完全复位，飞行器平台通过系绳5缓慢收回附着捕获装置，等待执行下一次捕获任务。 [0069] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。 [0070] 最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。