本發(fā)明屬于在軌服務(wù)、空間碎片減緩領(lǐng)域，涉及一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置。

背景技術(shù)：

1、在軌故障航天器救援與維修、空間碎片與威脅目標(biāo)捕獲與清除等在軌服務(wù)與維護(hù)任務(wù)，對維持航天器在軌穩(wěn)定運(yùn)行，維護(hù)我國空間資產(chǎn)安全有重要的意義。航天器、空間碎片等目標(biāo)的抓捕是在軌服務(wù)與維護(hù)的重要前提和關(guān)鍵技術(shù)。對合作目標(biāo)，主要采用合作對接、機(jī)械臂捕獲手段，對于無合作對接接口、無法提供準(zhǔn)確相對動(dòng)力學(xué)信息的非合作目標(biāo)，主要利用機(jī)械夾爪、飛網(wǎng)等方式對星箭對接環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等部位實(shí)施力封閉的剛性夾持、鎖合，或?qū)ζ湔w包絡(luò)，存在相對測量與控制精度要求高、適應(yīng)目標(biāo)類型有限的缺點(diǎn)，面向?qū)献?、非合作目?biāo)多樣化的服務(wù)任務(wù)，亟需發(fā)展新質(zhì)通用化捕獲手段。

2、仿生干黏附是一種模仿壁虎腳掌微納米結(jié)構(gòu)，采用范德華力吸附原理的非力封閉捕獲手段，其通過對目標(biāo)的柔順觸碰形成可逆連接，對接速度快、能量消耗低、適應(yīng)范圍廣，已成為國際上通用化捕獲最具代表性的方向，支撐未來在軌維修，碎片抓取等輕質(zhì)空間操作機(jī)器人發(fā)展。仿生干黏附捕獲過程中，服務(wù)航天器的需要瞄準(zhǔn)目標(biāo)太陽翼、散熱面等典型結(jié)構(gòu)，僅黏附面維系兩體間連接狀態(tài)，因此其穩(wěn)定性取決于捕獲裝置對接觸速度、角速度、姿態(tài)的適應(yīng)范圍和對組合體相對運(yùn)動(dòng)慣性力的抵御能力，這對體積、功耗等多約束下干黏附技術(shù)的運(yùn)用方式和捕獲裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)提出了要求。

3、現(xiàn)有仿生黏附捕獲裝置面臨三方面不足，制約了其任務(wù)靈活性和通用性：一是傳統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)難以克服捕獲瞬時(shí)及捕獲后空間各向干擾力的作用，在捕獲裝置的包絡(luò)體積約束下，對目標(biāo)接觸方向、外力承載方向、目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量適應(yīng)性不足；或因捕獲過程，需要進(jìn)行預(yù)緊，其模塊的法向、切向運(yùn)動(dòng)存在耦合，外力作用下模塊易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)引發(fā)脫附釋放；二是面對自旋的失效目標(biāo)，在高速、大姿態(tài)偏轉(zhuǎn)的相對運(yùn)動(dòng)條件下，需要進(jìn)行捕獲動(dòng)能的快速耗散，傳統(tǒng)并聯(lián)緩沖機(jī)構(gòu)的運(yùn)用可以通過阻尼作用耗散碰撞多自由度動(dòng)能，但其剛性結(jié)構(gòu)體積大、重量大、整體接觸剛度高，因此對目標(biāo)干擾沖量大、姿態(tài)適應(yīng)范圍難以提升；三是選用單層柔性黏附材料，且與捕獲裝置直接固連，對于非平整表面適應(yīng)能力差，捕獲任務(wù)時(shí)，服務(wù)航天器需要避開粗糙材質(zhì)面和結(jié)構(gòu)邊框、接縫、線纜等凸起物，僅能選擇連續(xù)平面光滑位置，增大了捕獲運(yùn)動(dòng)控制代價(jià)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，實(shí)現(xiàn)在有限的體積、重量、功耗要求下，大幅增加捕獲的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)適應(yīng)邊界，降低服務(wù)航天器在目標(biāo)捕獲過程的運(yùn)動(dòng)控制精度要求，提升捕獲可靠性。

2、本發(fā)明解決技術(shù)的方案是：

3、一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，包括4個(gè)黏附爪模塊、中心模塊、4個(gè)渦卷彈簧、解鎖模塊和控制模塊；

4、其中，中心模塊水平放置的中空方形盒體結(jié)構(gòu)；4個(gè)黏附爪模塊分別安裝在中心模塊上表面的四角處；每個(gè)黏附爪模塊通過1個(gè)渦卷彈簧與中心模塊連接；控制模塊安裝在中心模塊的內(nèi)腔中；解鎖模塊設(shè)置在中心模塊的內(nèi)腔中；通過解鎖模塊實(shí)現(xiàn)對收攏狀態(tài)下4個(gè)黏附爪模塊的解鎖；通過渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)對應(yīng)黏附爪模塊展開；控制模塊控制解鎖模塊的解鎖。

5、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，4個(gè)黏附爪模塊水平安裝在中心模塊的頂部；4個(gè)黏附爪模塊的上表面位于同一水平面；每個(gè)黏附爪模塊實(shí)現(xiàn)相對于中心模塊的水平轉(zhuǎn)動(dòng)；收攏狀態(tài)下，4個(gè)黏附爪模塊均旋轉(zhuǎn)至與中心模塊的對應(yīng)側(cè)邊平行，形成口字構(gòu)型，并進(jìn)行鎖定。

6、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，捕獲任務(wù)時(shí)，4個(gè)黏附爪模塊均逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)135°，形成十字構(gòu)型；兩組對角的黏附爪模塊的對稱軸共線，實(shí)現(xiàn)將黏附力臂最大化。

7、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，所述黏附爪模塊包括仿生微陣列黏附材料、仿生緩沖吸能結(jié)構(gòu)、支撐板、輕量化支撐臂和脫附機(jī)構(gòu)；

8、其中，支撐板為水平放置的板狀結(jié)構(gòu)；仿生緩沖吸能結(jié)構(gòu)水平固定在支撐板的上表面；仿生微陣列黏附材料安裝在仿生緩沖吸能結(jié)構(gòu)的上表面；支撐板通過脫附機(jī)構(gòu)安裝在輕量化支撐臂上；脫附機(jī)構(gòu)呈圓柱狀，位于支撐臂中間位置，脫附機(jī)構(gòu)與支撐臂的高度相同；所述仿生微陣列黏附材料和仿生緩沖吸能結(jié)構(gòu)在頭端處均呈圓弧面，在尾端處均為平直面。

9、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，所述仿生微陣列黏附材料為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括類帽檐狀仿生微結(jié)構(gòu)陣列、開放空腔-微柱陣列結(jié)構(gòu)；

10、其中，開放空腔-微柱陣列結(jié)構(gòu)由規(guī)則分布的柱狀結(jié)構(gòu)支撐的水平上下薄膜組成；類帽檐狀仿生微結(jié)構(gòu)陣列呈陣列分布在開放空腔-微柱陣列結(jié)構(gòu)上薄膜的上表面；類帽檐狀仿生微結(jié)構(gòu)陣列由柱體、頂端膨大的帽檐組成，具有高黏附力特性；開放空腔-微柱陣列結(jié)構(gòu)的分布密度、空腔間隙、柱體高度和直徑均遠(yuǎn)大于類帽檐狀仿生微結(jié)構(gòu)陣列，在碰撞擠壓下，產(chǎn)生大變形適應(yīng)粗糙表面。

11、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，所述吸能結(jié)構(gòu)為以多孔熱固性聚氨酯橡膠為基材，具有仿生魚鰭狀疏松結(jié)構(gòu)，由多組平行、間隔的肋狀薄板組成；肋狀薄板在上、下表面銜接處構(gòu)成的連線與捕獲接觸方向平行或小于45°，同時(shí)滿足垂向壓縮、橫向剪切大變形要求；肋狀薄板中線的形狀、曲率、間隔根據(jù)捕獲速度或吸收總動(dòng)能需求確定。

12、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，所述中心模塊包括上結(jié)構(gòu)板、4個(gè)支柱、下結(jié)構(gòu)板、4個(gè)轉(zhuǎn)軸、4個(gè)卡位結(jié)構(gòu)和十字拉桿；

13、其中，上結(jié)構(gòu)板、下結(jié)構(gòu)板均為水平放置的板狀結(jié)構(gòu)；上結(jié)構(gòu)板位于下結(jié)構(gòu)板的上方；上結(jié)構(gòu)板和下結(jié)構(gòu)板之間通過4個(gè)支柱支撐，且4個(gè)支柱豎直位于四角處；轉(zhuǎn)軸與支柱位置一一對應(yīng)；轉(zhuǎn)軸設(shè)置在上結(jié)構(gòu)板的上表面；每個(gè)轉(zhuǎn)軸與對應(yīng)的黏附爪模塊和渦卷彈簧對接；4個(gè)卡位結(jié)構(gòu)安裝在上結(jié)構(gòu)板的上表面，十字拉桿安裝在上結(jié)構(gòu)板的下表面；解鎖模塊、控制模塊均安裝在下結(jié)構(gòu)板的上表面，解鎖模塊與十字拉桿的下緣固連。

14、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，所述解鎖模塊通過電磁解鎖器實(shí)現(xiàn)一個(gè)中心帶動(dòng)4個(gè)黏附爪模塊同時(shí)解鎖；解鎖時(shí)，電磁解鎖器在通電后，帶動(dòng)的十字拉桿向下運(yùn)動(dòng)，解除十字拉桿末端的鎖定錐配合；此時(shí)4個(gè)黏附爪模塊在渦卷彈簧的驅(qū)動(dòng)扭矩作用下實(shí)現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)，展開到位時(shí)末端鉸鏈的鎖合軸卡入槽中，實(shí)現(xiàn)4個(gè)黏附爪模塊的有效鎖合。

15、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，當(dāng)黏附爪模塊收攏時(shí)，4個(gè)卡位結(jié)構(gòu)的下緣與支撐臂側(cè)方的凸臺接觸，限制黏附爪模塊沿垂直方向的運(yùn)動(dòng)自由度。

16、在上述的一種微型可展開式空間目標(biāo)通用化仿生捕獲裝置，所述脫附機(jī)構(gòu)包括彈簧支撐筒、分離彈簧、限位銷、形狀記憶合金作動(dòng)模塊；

17、脫附過程中，在初始位置時(shí)分離彈簧在彈簧支撐筒內(nèi)處于壓縮蓄能狀態(tài)，承載仿生微陣列黏附材料、仿生緩沖吸能結(jié)構(gòu)的支撐板與彈簧支撐桶為軸孔配合且由限位銷實(shí)現(xiàn)軸向與周向鎖定；

18、當(dāng)接受控制模塊接受到衛(wèi)星平臺的脫附指令后，使形狀記憶合金作動(dòng)模塊開始加熱收縮，帶動(dòng)與之連接的限位銷收縮；而后限位銷脫離支撐板的卡槽，促使分離彈簧將支撐板彈出，完成支撐板與彈簧支撐筒的分離；

19、分離后，微陣列黏附材料、仿生緩沖吸能結(jié)構(gòu)、支撐板與目標(biāo)仍為連接狀態(tài)，而脫附機(jī)構(gòu)整體保持與捕獲裝置相連，此時(shí)與目標(biāo)完成了脫附動(dòng)作。

20、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

21、(1)本發(fā)明的仿生捕獲裝置能夠在高速捕獲工況下碰撞目標(biāo)時(shí)，通過仿生微陣列黏附材料、仿生緩沖吸能結(jié)構(gòu)兩部分高分子超彈性材料的協(xié)同作用，抑制碰撞回彈、減小目標(biāo)沖擊、同時(shí)也產(chǎn)生足夠的接觸壓力和接觸面積，保障足夠的黏附合力；

22、(2)本發(fā)明的解鎖模塊選用電磁解鎖器，通過中心十字拉桿，實(shí)現(xiàn)一個(gè)中心帶動(dòng)四點(diǎn)同時(shí)解鎖。解鎖機(jī)構(gòu)鉸鏈采用蝸卷彈簧儲能釋放的方式驅(qū)動(dòng)黏附爪運(yùn)動(dòng)。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，此方案無需專門設(shè)計(jì)控制電路、簡單可靠、技術(shù)成熟度高，適合小體積輕質(zhì)量的微型機(jī)構(gòu)；

23、(3)本發(fā)明考慮衛(wèi)星發(fā)射振動(dòng)對機(jī)構(gòu)鎖定的影響，為防止發(fā)射段輕量化的黏附爪發(fā)生較大位移而引起鎖定失效，在黏附爪遠(yuǎn)端位置設(shè)計(jì)局部卡位結(jié)構(gòu)，限制其移動(dòng)；

24、(4)本發(fā)明仿生捕獲裝置采用黏附爪模塊與裝置主體分離的模式實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)脫附。分離后，所述仿生微陣列黏附材料、仿生緩沖吸能結(jié)構(gòu)、支撐板會與目標(biāo)保持連接，而輕量化支撐臂與裝置其他部分一起運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)分離。此釋放方式可最大程度上減小界面作用力和裝置體積、作動(dòng)行程短，也無需磁場等驅(qū)動(dòng)方式作用于黏附材料；

25、(5)本發(fā)明的脫附過程由安裝在每個(gè)黏附爪模塊上的形狀記憶合金脫附機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。脫附前，其內(nèi)部分離彈簧處于壓縮蓄能狀態(tài)，支撐板與支撐臂鎖定。當(dāng)接受脫附指令后形狀記憶合金作動(dòng)模塊加熱收縮，在短時(shí)間內(nèi)帶動(dòng)與之連接的限位銷收縮，解除支撐板與輕量化支撐臂的鎖定關(guān)系，促使分離彈簧將支撐板彈出，完成脫附釋放動(dòng)作。