[发明专利]一种用于空间目标操控的全向主动摩擦末端执行器

说明书

本发明公开了一种用于空间目标操控的全向主动摩擦末端执行器，包括摩擦球、摩擦球动力装置、摩擦球约束装置和线性模组离合装置。摩擦球动力装置，用于提供摩擦球全向滚动动力；摩擦球约束装置，为处于自由空间内的摩擦球提供全向约束，固定连接在空间目标操控机构的末端，在空间目标操控机构的驱动下携带摩擦球移动，线性模组离合装置，在摩擦球未与抓捕对象接触时，控制摩擦球动力装置与摩擦球分离，使摩擦球与抓捕对象表面接触被动跟随旋转；当摩擦球与抓捕对象表面完全接触后，控制摩擦球动力装置与摩擦球接触，使摩擦球在全向滚动动力的作用下运动；摩擦球，通过与抓捕对象接触在接触面上产生的摩擦力实现对接触对象的运动控制。

技术领域

本发明是一种基于全向轮的全自由度主动摩擦原理的航天器空间抓取末端执行器，属于机械设计技术领域。

背景技术

空间运行的航天器需要各种在轨服务。失效超龄的航天器需要及时清理出运行轨道。在轨服务与清理过程中执行机构的抓取稳定性和抓取效率决定了整个任务的成败。

随着航天技术的发展，空间对接由合作目标对接向非合作目标对接发展。利用非合作目标对接技术可实现空间任意飞行器之间的对接，扩展空间活动范围，如实现空间垃圾清理、卫星回收、燃料补给、零件更换、系统升级等空间活动。

自上世纪末期，国内外开始研究空间非合作目标对接技术，主要是以空间机器臂系统为手段。在非合作目标对接技术中，抓捕空间目标是空间机械臂系统执行任务的重要环节，该环节不可避免碰撞的发生。碰撞可能引起设备损坏，甚至导致抓捕任务失败。因此，必须采取措施对抓捕目标过程中的碰撞加以抑制。本发明利用主动摩擦技术，将抓捕目标时的碰撞力控制在可承受范围之内，实现对非合作目标的安全、稳定抓捕。

自上世纪九十年代，空间机械臂开始应用于航天器，其相关研究也得到了很大发展。其中，美国、日本及加拿大等国家的研究水平领先于其他国家。1997年日本成功发射了ETS-VII卫星，这是世界上第一个空间机械臂系统，如图1-1所示。空间机械臂系统由作为系统基座的航天器平台和至少一个空间机械臂组成。按照基座位姿控制状况的不同，可将空间机械臂系统分为四种模式：基座位姿机动模式，基座位姿固定模式，自由飞行模式及自由漂浮模式；自由漂浮模式下的空间机械臂系统的基座位置和基座姿态均不受控制，系统基座受机械臂的反作用而自由运动，当系统无外力和外力矩作用时，其动量守恒；自由漂浮模式不仅使燃料得到节省，系统工作时间得以延长，还可实现平滑机器人末端运动的目的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于空间目标操控的全向主动摩擦末端执行器，解决非合作目标的自旋运动被动消旋抓捕问题。

本发明的技术解决方案是：一种用于空间目标操控的全向主动摩擦末端执行器，该末端执行器包括摩擦球、摩擦球动力装置、摩擦球约束装置和线性模组离合装置；其中：

摩擦球动力装置，用于提供摩擦球全向滚动动力；

摩擦球约束装置，为处于自由空间内的摩擦球提供全向约束，将摩擦球限定在一定的空间范围内旋转；固定连接在空间目标操控机构的末端，在空间目标操控机构的驱动下携带摩擦球移动；

线性模组离合装置，用于控制摩擦球动力装置与摩擦球的相对位置，在摩擦球未与抓捕对象接触时，控制摩擦球动力装置与摩擦球分离，使摩擦球与抓捕对象表面接触被动跟随旋转；当摩擦球与抓捕对象表面完全接触后，控制摩擦球动力装置与摩擦球接触，使摩擦球在全向滚动动力的作用下运动；

摩擦球，通过与抓捕对象接触在接触面上产生的摩擦力实现对接触对象的运动控制。

所述摩擦球约束装置包括从动悬架和多个单向弹性装置，从动悬架固定连接在空间目标操控机构末端，多个单向弹性装置均匀分布，一端在从动悬架边缘，另一端悬空，向下形成多个向心的抓手，用于环抱着摩擦球，单向弹性装置悬空端装有全向球轴承，全向球轴承与摩擦球接触，实时施加摩擦球径向的预紧力。