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摘要：为了缓解近地轨道资源压力和增强太空探索的可持续性，解决传统的刚性捕获适应性差、柔性捕获连接刚度低等问题，设计了一种新型空间飞爪捕获机构。首先，对空间飞爪捕获机构的机械结构开展详细设计，该捕获机构由驱动机构、抓捕执行机构、滑轮组机构、收绳机构及质心调整机构5部分组成，结合设计结果对其功能原理进行阐述，并且针对不同的目标设计不同的抓捕策略；然后，建立捕获爪运动学坐标系，以此作为动力学仿真过程中捕获目标的先决条件；最后，利用ADAMS动力学软件对捕获机构的容差性和碰撞接触力进行仿真分析和验证。仿真结果表明，该捕获机构径向位置和轴向位置捕获容差可达20cm，满足设计容差性指标要求，碰撞过程的最大接触力为450 N，满足设计要求，验证结构设计的有效性和可行性。
关键词：捕获机构；结构设计；容差性；碰撞接触
0引言
随着太空探索技术的不断发展，人类在太空的活动日益频繁，不可避免地产生了大量空间碎片[1]。目前，最合理有效的清除方法为主动清除，即通过合适的手段将地球低轨道碎片送入大气层烧毁，高轨道碎片拖入坟墓轨道，完成太空环境的清理，进而重复利用轨道资源[2]。
针对空间非合作目标的在轨捕获，欧美、日本等发达地区已于十几年前提出了基于不同原理的抓捕概念及演示验证[3]；我国也于近几年展开了大力研究[4]。根据抓捕对象的部件特征，如目标本身、太阳能板及其支架、发动机喷嘴以及对地天线等[5]，将空间非合作目标的接触式捕获方法分为刚性捕获和柔性捕获。在此基础上，根据捕获系统的末端执行机构可将非合作目标的捕获途径细分为空间飞爪、绳网、鱼叉及吸附等多种方式[6]。日本JAXA提出了一种采用高效电动力绳折叠臂EDT作为空间碎片主动清除系统[7]，利用空间飞爪机构实现目标卫星的主动抓取捕获。南京航空航天大学[8]提出了一种用于抓取对接环的卡爪式非合作目标捕获机构。欧洲航天局ESA提出了地球同步轨道废弃卫星的清理机器人ROGER计划[9]，利用空间绳系飞网将捕获目标整体包络锁紧后拖离至坟墓轨道。西北工业大学的马骏等[10]提出了一种新型的“任务平台+连接系绳+绳网+自主机动单元”结构的自主展开式空间绳网机器人系统。欧空局的Remove DEBRIS任务中涉及一种鱼叉捕获大型空间碎片的技术，采用鱼叉捕获装置穿透目标卫星并由机构两侧设置的倒刺锁紧捕获[11]。瑞士空间研发中心[12]设计了一种介电弹性体捕获机构并首次将其应用于瑞士空间清洁一号来进行空间碎片清除任务，在质量为0.65 g情况下其捕获力最大仅有2.2 mN。上海宇航系统工程研究所[13]针对非合作空间碎片的不同尺寸和形状大小设计了一种基于仿章鱼充气软体机器人的碎片捕获装置，主要有六根仿生章鱼触手和一根可伸缩机械臂构成。这些提到的捕获方式在非合作目标捕获方面都存在一定的借鉴意义，但是无法平衡捕获方式高适应性、可靠性和高容差之间的关系，往往不能够通过一种捕获方式对尺寸形状变化较大的非合作目标进行捕获，所以设计一种新型的可重复使用的空间碎片捕获机构显得尤为重要。
本文针对大中小型尺寸目标捕获离轨任务进行研究，在传统捕获方式的基础上设计了一种具有高适应性、高容差、低成本、轻量化和主动快速性的空间碎片捕获机构，能够在满足卫星平台导航精度偏差下捕获最大直径尺寸在0.1~1 m内的目标，并针对该机构进行了力学特性分析，验证了机构设计的合理性及最大导航偏差下完成捕获任务的可行性。
1新型空间飞爪捕获系统设计
1.1设计要求
相对于合作目标，非合作目标具有更多的不确定性和未知性[14]，其上面没有可供抓捕的已知的结构特征，这就对我们的捕获机构提出了更高的要求。捕获系统的初始设计参数如表1所示。
主要设计要求和技术指标包含以下几点：
高适应性：要求能够抓捕最大直径尺寸在0.1~1 m内的目标。
高容差：要求能够在20 cm导航精度误差下实现有效抓捕。
轻量化：要求其质量控制在10 kg之内，且收拢尺寸在安装完成之后不超过直径2 m的圆。
主动快速性：要求捕获机构能够实现快速合拢，慢速锁紧的方式对目标进行捕获。
1.2方案设计
捕获系统总体方案设计如图1所示，其主要由小卫星平台、驱动机构、抓捕执行机构、收绳机构、滑轮组机构、质心调整机构等机构组成。总体捕获设计思路为多点接触、刚性固连。捕获机构构型布局及功能如表2所示。
（1）抓捕执行机构
抓捕执行机构如图2所示，其由4根捕获臂和捕获网构成，每根捕获臂分为捕获臂大臂、捕获臂小臂、一级关节、二级关节和捕获臂锁杆5部分。一级关节用来连接捕获臂大臂与捕获臂锁杆，用于实现捕获臂大臂展开。二级关节用来连接捕获臂大臂与捕获臂小臂，用于实现捕获臂小臂展开、小臂压紧以及捕获完成后的制动。捕获臂由收拢状态到展开状态，一级关节在扭簧驱动下进行展开，由于单向轴承单向旋转的特性，捕获臂大臂展开至指定位置后锁死，然后二级关节释放，通过扭簧进行展开，可以根据不同尺寸的目标设置机械可编程的位置来调整捕获臂小臂的展开角度，便于对目标进行捕获，到达限位位置后停止，在捕获目标时，当捕获完成后通过拉动制动绳拉动制动锁，使制动锁与旋转轴上的齿轮相啮合，从而达到锁死的效果。
（2）单电机双驱动机构
为满足捕获机构轻量化和低成本的设计要求，捕获机构仅能够使用一个电机用于目标捕获，但本文设计的捕获机构需要使用电机同时控制电驱、绳驱以及制动3方面的功能，因此捕获机构需要通过特定的机构实现电机正转控制电驱动，电机反转控制绳驱动及制动机构。本文设计的单电机双驱动机构如图3所示，将捕获机构驱动舱室分为上下2部分，分别是绳驱舱与电驱舱，通过双出轴电机的上下轴分别控制电驱与绳驱两个舱室。电驱动部分主要由电机上轴、推盘、单向轴承、滚珠丝杠、法兰、滚珠丝杠连接件、深沟球轴承、角接触球轴承以及联轴器构成，通过电机驱动丝杠旋转，从而通过连接法兰将运动传递至推盘上，使其沿着滚珠丝杠向上运动，从而实现捕获臂大臂收拢。绳驱部分主要由电机下轴、主齿轮、副齿轮、收绳机构构成，通过齿轮传动使副齿轮旋转带动收绳机构运动使绳回收，从而带动捕获臂小臂运动，当捕获臂小臂卡住时，收绳机构防卡死特性使绳驱机构继续运行，此时卡死的捕获臂不再运动，其他捕获臂继续收拢，最终压紧目标。
（3）收绳机构
本文所设计的收绳机构如图4所示，其主要由涡卷弹簧，副齿轮、弹簧箱、中轴以及两个收绳器构成。涡卷弹簧安装在弹簧箱内，其中心固定在中轴上，涡卷弹簧外圈末端存在一个圆形挡圈，其能够放置在弹簧箱内部的卡槽内，收绳器1用来回收压紧绳，收绳器2用来回收制动绳，收绳器1与弹簧箱相固定，与中轴之间以旋转副相连接，收绳器2与副齿轮均固定在中轴上，当电机反转时，副齿轮被驱动，收绳机构进行旋转，收绳器1在涡卷弹簧作用下跟随旋转，此时两根绳同时回收，当四根捕获臂小臂均压紧后或到达最大位置后，压紧绳无法继续回收，此时收绳器1无法继续旋转，涡卷弹簧不断被压缩，当压缩至一定程度时，圆形挡圈从弹簧箱的卡槽内脱出，在弹簧力作用下进入下一个卡槽，以此来实现捕获臂防卡死效果，使中轴能够继续被驱动，但捕获臂停止运动，驱动后收绳器2仍旧保持旋转继续回收制动绳，直到制动绳被拉紧，制动器工作，捕获臂锁死。
（4）滑轮组机构
滑轮组机构设计示意图如图5所示，其由6组滑轮组成，分别设置编号为一到六级导向滑轮，一级到五级滑轮均采用两个滑轮构成，六级滑轮采用一个滑轮构成，除四级滑轮外均采用V4*13*6尺寸的滑轮，四级滑轮采用V3*10*3尺寸的滑轮。
考虑到拉紧绳与制动绳高度不同，因此一级及二级滑轮中的两个滑轮高度根据拉紧绳与制动绳的高度进行调整。由于拉紧绳与制动绳作用不同，其连接终端也不相同，因此其绳的布置不同，拉紧绳走线方式如图5中红线所示，制动绳如图5中绿线所示。
（5）质心调整机构
由于小卫星平台在发现目标后，接近目标的过程中存在±20 cm内的导航精度误差，使小卫星平台无法正对目标质心，会导致在抓获完成后捕获系统与目标的组合体质心不处于中心位置，因此设计一种质心调整机构使其能够将捕获完成之后的质心调整至中心位置，便于离轨销毁过程。由于捕获机构为两侧对称式结构，其关于yoz平面对称，因此在捕获目标后不会在x轴方向上产生质心偏差，只能出现在y轴方向上，所以质心调整机构只需要考虑调整y轴方向上的质心偏差。
质心调整机构安装在捕获机构与小卫星平台之间，如图6所示，其由上板、下板及旋转电机构成，上面板连接捕获机构所在的舱室，下面板与小卫星平台相连接，通过电机旋转捕获机构所在舱室实现质心调整，其偏转角度范围为±12°。
1.3捕获策略
本文设计的捕获机构具有高适应性的特点，针对不同尺寸和形状的目标设计不同的抓捕策略，实现从小到大不同形态目标的“包”“抱”“夹”的抓捕策略，如图7所示。小目标为最大直径尺寸在0.3 m以下的目标，其尺寸较小，无法通过直接依靠捕获臂抓捕，因此需要通过捕获机构中安装的柔性捕获网抓捕目标，将目标包在两片捕获网之间，以捕获臂大臂作为骨架，使小目标难以脱出；中目标为最大直径尺寸在0.3~0.6 m内的目标，其尺寸恰好能够被捕获臂完全抱住，以捕获网作为辅助，对其形成一种抱的状态；大尺寸目标为最大直径尺寸在0.6~1 m内的目标，其尺寸过大，捕获机构不能够完全合拢，依靠捕获臂大臂较大的夹持力将目标夹持在中间后通过捕获臂小臂进行压紧。
2捕获机构力学特性仿真分析
2.1捕获爪运动学分析
本文建立的捕获爪运动学坐标系如图8所示。其中A1、B1、C1代表捕获爪完全展开状态下各点，同理A1、B2、C3代表捕获爪完全收拢状态下各点，连杆之间的夹角为β1，R为捕获爪转轴到对称面距离。为了计算简便，参考坐标系原点为A1，基准坐标系位于A点正下方。两种状态下不同的参数仅为坐标变换角度α,记完全展开状态下的坐标变换角度为α1，收拢状态下的坐标变换角度为α2。
记l0=A1B1=A1B2，l1=B1C1=B2C2。
则各点在参考坐标系下的坐标为：
记：
则各点在基准坐标系下的坐标记为：
根据坐标变换原理，得
2.2捕获机构容差性仿真分析
考虑到小卫星平台在寻找目标时存在20 cm以内的导航精度误差，这就导致在捕获前目标可能会存在初始偏差，偏差主要为角度偏差、距离偏差以及自旋速度偏差[15]，3种类型的偏差均以捕获时非合作目标距离小卫星平台中轴的距离及角度为体现。为了验证捕获机构高容差要求，利用动力学仿真软件ADAMS对捕获机构的容差性能进行仿真。以抓捕中尺寸目标（0.3~0.6 m）为例，通过分析目标在3种不同工况下的动力学仿真来验证捕获机构是否能够具有高容差性能，3种工况如表3所示。
在最大位姿偏差下3个方向质心位移随时间变化曲线，如图9所示。
由图9可以看出，在捕获仿真过程中，目标在3个方向上的位移较小，在捕获完成后保持恒定，即其位置保持固定，目标速度同样趋于0，捕获效果符合设计要求。
2.3捕获过程力学特性仿真分析
由容差性分析可知，在最大导航误差下捕获机构能实现对目标的抓捕，表明捕获机构满足设计指标要求。为了研究机构捕获过程的接触力，利用ADAMS对整个捕获过程进行接触力仿真，图10为目标在理想状态下接触力曲线，图11是目标在最大位置偏差Δx=20 cm，Δy=20 cm下的接触力曲线。整个捕获过程主要分为3个阶段。
（1）稳定靠近阶段：0~3 s卫星平台匀速靠近，目标进入抓捕包络，悬停相对静止，捕获机构与目标接触力为0。
（2）抓捕阶段：3~5 s在驱动机构驱动下捕获臂向内收拢对目标进行抓捕，捕获臂与目标的接触力逐渐增加，到达峰值后减小，直至趋于稳定，此时抓捕完成。
（3）机动离轨阶段：5 s之后飞爪与目标形成刚性固连的组合体，通过自身推力器，小卫星平台进行连续机动减速离轨，此时捕获臂与目标的接触力恒定。
由接触力曲线图可以看出，从发生接触到抓捕完成的过程中，在最大偏差下捕获臂受力的最大值约为450 N，且在4s左右后趋于平稳。可见，在最大位置偏差下，捕获机构所承受的最大载荷在合理范围内，符合设计要求。
3结束语
本文针对大中小型尺寸目标捕获离轨任务进行研究，设计了一种新型的可重复使用的空间碎片捕获机构，并通过仿真实验进行了验证。
（1）详细介绍了捕获机构的设计要求，并根据设计要求设计了捕获机构总体方案以及其各个组成部分，包括抓捕执行机构、驱动机构、收绳机构、滑轮组机构、质心调整机构。
（2）仿真验证该捕获机构能够在20 cm导航精度误差前提下对存在自旋的非合作目标实现有效捕获，满足设计容差性指标要求。同时分析捕获过程机构受力特性可以看出，捕获机构所承受的最大载荷在设计要求范围内。
本研究为捕获机构原理样机的加工提供了可靠的理论依据，同时也为该装置的后续相关研究提供了重要的依据。
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基于ADAMS的新型空间飞爪捕获机构设计与仿真验证论文
人参与 2025-06-12 10:41:46 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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