一種用於在軌捕獲非合作目標的仿生幹黏附系統的製作方法
2023-11-03 12:15:17
本發明涉及非合作目標的在軌捕獲技術領域，特別是涉及一種用於在軌捕獲非合作目標的仿生幹黏附系統。
背景技術：
空間非合作目標具有的強大動能，其對在軌太空飛行器構成了嚴重的威脅。據統計，非合作目標已造成多起太空飛行器損傷及發生災難性失效的事例，隨著航天事業的發展，這種事例的數目仍在高速增長中。非合作目標的捕獲技術已經成為了航天領域的研究熱點。
目前較成功的非合作目標捕獲技術是採用彈射飛網捕獲，如中國專利cn102991731a就公開了一種用於廢棄太空飛行器捕獲的飛網彈射捕獲裝置，其基本原理是採用火工品拋射質量塊引導飛網展開，在對非合作目標形成包絡後，質量塊在自身慣性的作用下繼續運動使飛網包緊目標，之後再對飛網及非合作目標進行整體回收。但是，由於火工品的採用，飛網為一次性使用的捕獲裝置，在非合作目標數量逐年增長的情況下，應用成本較高。
針對上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種可重複使用的針對大表面的非合作目標的捕獲系統。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種用於在軌捕獲非合作目標的仿生幹黏附系統，以解決上述現有技術存在的問題，使非合作目標的捕獲裝置可以重複使用，以降低應用成本。
為實現上述目的，本發明提供了如下方案：
本發明提供了一種用於在軌捕獲非合作目標的仿生幹黏附系統，包括機身、柔性驅動機構、仿生腳爪機構和仿生腳掌機構，所述柔性驅動機構和所述仿生腳爪機構設置在所述機身上，所述仿生腳掌機構與所述仿生腳爪機構活動連接，所述仿生腳掌機構末端設有仿生黏附單元，所述柔性驅動機構能夠驅動所述仿生腳掌機構相對於所述仿生腳爪機構產生內收運動，增加仿生黏附單元的黏附能力，並驅動所述仿生腳爪機構產生向內收攏彎曲，使所述仿生黏附單元在法向預壓力的作用下沿切向移動產生黏附力。
優選地，所述仿生腳爪機構包括腳爪支撐體、腳爪基體和腳爪肢體，所述腳爪支撐體為一「z」形柔性板，所述腳爪支撐體的一端與所述機身固定連接，所述腳爪支撐體的另一端與所述腳爪基體固定連接，所述腳爪基體上設有滑槽，所述腳爪肢體的滑杆嵌在所述滑槽內，所述柔性驅動機構能夠驅動所述腳爪肢體在所述滑槽內移動，所述仿生腳掌機構與所述腳爪肢體活動連接。
優選地，所述滑槽傾斜設置，使所述腳爪肢體在側向移動的同時沿法相向下移動。
優選地，所述仿生腳掌機構包括球頭螺柱、腳掌彈簧、鉸接頭、掌體和至少兩個黏附腳趾單元，所述球頭螺柱的螺紋端固設在所述腳爪肢體的螺孔中，所述球頭螺柱的球頭設置在所述鉸接頭中，所述腳掌彈簧一端連接所述腳爪肢體，另一端連接所述鉸接頭，所述腳掌彈簧至少為均布的三個，所述掌體與所述鉸接頭固定連接，所述黏附腳趾單元均與所述掌體固定連接，所述黏附腳趾單元的底面上設有柔性墊，所述仿生黏附單元與所述柔性墊連接。
優選地，所述黏附腳趾單元的數量為3-5個，其中1-3個所述黏附腳趾單元朝外設置，其餘的所述黏附腳趾單元朝內設置，形成鎖合，相鄰的所述黏附腳趾單元間的夾角為30-60°。
優選地，所述柔性驅動機構包括電機、擺動機構和一級驅動繩，所述電機設置在所述機身上，所述擺動機構的一端連接所述電機，所述擺動機構的另一端連接所述一級驅動繩的一端，所述一級驅動繩的另一端連接所述仿生腳爪機構。
優選地，所述柔性驅動機構、所述仿生腳爪機構和所述仿生腳掌機構至少為成對設置的兩個。
優選地，每對所述腳爪支撐體之間連接有一二級驅動繩，所述二級驅動繩由一所述柔性驅動機構驅動，所述柔性驅動機構的所述一級驅動繩的另一端連接所述二級驅動繩。
優選地，還包括控制系統，所述電機與所述控制系統電連接。
優選地，所述機身由輕質材料製成。
本發明相對於現有技術取得了以下技術效果：
本發明公開了用於在軌捕獲非合作目標的仿生幹黏附系統，利用了仿生黏附材料製成的仿生黏附單元再一定的預壓力下切向移動即可產生非常大的黏力，其在與非合作目標表面接觸的過程中，可與非合作目標表面之間產生足夠的範德華力實現對非合作目標的黏附抓取。由於該黏附和脫附的過程是可逆的，所以利用本發明進行黏附抓取非合作目標具有可重複性。其中，單個仿生腳爪機構和仿生腳掌機構末端的仿生黏附單元對非合作目標的捕獲動作為單肢體黏附，而成對的仿生腳爪機構和仿生腳掌機構對非合作目標的捕獲動作為二級鎖合黏附。由於本發明的多層級鎖合的仿生腳爪機構和仿生腳掌機構對目標表面曲面具有很好的適應性，可作為具有大表面的非合作目標在軌捕獲時的抓取末端，並實施多次捕獲，以降低捕獲成本。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明用於在軌捕獲非合作目標的仿生幹黏附系統的整體結構示意圖；
圖2為本發明單個柔性驅動機構、仿生腳爪機構和仿生腳掌機構的結構示意圖；
圖3為本發明一對柔性驅動機構、仿生腳爪機構和仿生腳掌機構的結構示意圖；
其中：1-機身，2-控制系統，3-電機，4-擺動機構，5-一級驅動繩，6-腳爪支撐體，7-腳爪基體，8-腳爪肢體，9-球頭螺柱，10-腳掌彈簧，11-鉸接頭，12-掌體，13-黏附腳趾單元，14-柔性墊，15-仿生黏附單元，16-二級驅動繩。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明的目的是提供一種用於在軌捕獲非合作目標的仿生幹黏附系統，以解決上述現有技術存在的問題，使非合作目標的捕獲裝置可以重複使用，以降低應用成本。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
如圖1-3所示：本實施例提供了一種用於在軌捕獲非合作目標的仿生幹黏附系統，包括機身1、柔性驅動機構、仿生腳爪機構和仿生腳掌機構，機身1由輕質材料製成，以降低系統重量，優選為碳纖維材料。柔性驅動機構和仿生腳爪機構均設置在機身1上。
所述仿生腳爪機構包括腳爪支撐體6、腳爪基體7和腳爪肢體8。腳爪支撐體6為一「z」形柔性板，腳爪支撐體6的一端與機身1固定連接，另一端與腳爪基體7固定連接。腳爪基體7上設有滑槽，腳爪肢體8的滑杆嵌在滑槽內，滑槽為弧形槽或傾斜設置的直槽，使腳爪肢體8在側向移動的能夠同時沿法相向下移動，靠近被黏附的物體，保證單肢體黏附的效果。
所述仿生腳掌機構包括球頭螺柱9、腳掌彈簧10、鉸接頭11、掌體12和至少兩個黏附腳趾單元13，球頭螺柱9的螺紋端固設在腳爪肢體8的螺孔中，球頭螺柱9的球頭卡接在鉸接頭11中，腳掌彈簧10一端連接腳爪肢體8，另一端連接鉸接頭11，腳掌彈簧10至少為均布的三個，優選為四個。腳掌彈簧10能夠限制鉸接頭11的自由度，使鉸接頭11可繞球頭螺柱9的球頭在3個自由度上轉動，為鉸接頭11提供所需的柔性，保證更黏附貼合的適應性。掌體12與鉸接頭11固定連接，黏附腳趾單元13均與掌體12固定連接，黏附腳趾單元13的數量優選為三個，三個黏附腳趾單元13均朝外設置，相鄰的黏附腳趾單元13間的夾角為60°。掌體12的底面上設有柔性墊14，仿生黏附單元15與柔性墊14連接。
所述柔性驅動機構包括電機3、擺動機構4和一級驅動繩5，電機3設置在機身1上，擺動機構4的一端連接電機3，擺動機構4的另一端連接一級驅動繩5的一端，一級驅動繩5的另一端連接腳爪肢體8，以驅動腳爪肢體8在滑槽內按照所需的軌跡移動。柔性繩可保證黏附過程更加穩定可靠。
所述柔性驅動機構、仿生腳爪機構和仿生腳掌機構至少為兩個，且成對設置。每對兩個腳爪支撐體6之間均連接有二級驅動繩16，二級驅動繩16由一柔性驅動機構驅動，該柔性驅動機構的一級驅動繩5的另一端連接二級驅動繩16。柔性驅動機構可通過拉緊二級驅動繩16，使成對的腳爪支撐體6產生向內收攏彎曲，進而使仿生腳掌機構末端的仿生黏附單元15產生的切向黏附力方向相反，相互平衡，形成二級鎖合黏附。所述柔性驅動機構、仿生腳爪機構和仿生腳掌機構優選各設置四個，組成兩對，並使其二級驅動繩16彼此垂直，以獲得最佳的二級鎖合黏附效果和最大的有效抓取面積。
所有電機3均與控制系統2電連接，控制系統2優選使用stm32單片機及其他附件構成。在控制系統2的控制下，柔性驅動機構能夠驅動仿生腳掌機構相對於仿生腳爪機構產生切向位移，並驅動仿生腳爪機構產生向內收攏彎曲，使仿生黏附單元15在法向預壓力的作用下進行切向移動。同時進行單肢體黏附和二級鎖合黏附，以提高捕獲的成功率。
以本實施例作為在軌捕獲時的抓取末端，但非合作目標與本實施例的仿生腳掌機構逐漸接近並接觸時，由於鉸接頭11可繞球頭螺柱9的球頭在3個自由度上轉動，可使掌體12、黏附腳趾單元13及仿生黏附單元15與非合作目標的表面更好貼合，控制系統2可驅動電機3帶動擺動機構4將電機3的圓周運動轉換化為直線運動，通過一級驅動繩5帶動腳爪肢體8在滑槽內按照所需的軌跡移動，使仿生黏附單元15可在一定的預壓力下側向移動，進而完成對非合作目標的單肢體黏附。與此同時，控制系統2還可拉緊二級驅動繩16，使成對的腳爪支撐體6產生向內收攏彎曲，進而使仿生腳掌機構末端的仿生黏附單元15產生方向相反的切向黏附力，使切向黏附力相互平衡，形成二級鎖合黏附。本實施例的脫附過程為：控制系統2控制電機3復位，卸載切向力，然後沿法向分別對非合作目標和本實施例施加較小的拉力即可實現脫附。
本實施例的多層級鎖合的仿生腳爪機構和仿生腳掌機構對目標表面曲面具有很好的適應性，可有效貼合非合作目標表面，且單肢體黏附和二級鎖合黏附的共同作用保證了黏附力和捕獲的成功率。並且本實施例具有可多次實施黏附過程的優點，有利於降低捕獲成本。
本說明書中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。