一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置和转移方法

1.本发明属于星球巡视器转移机构技术领域，特别是涉及一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置和转移方法。


背景技术：

2.深空探测指人类对月球及更远的天体或空间环境开展的探测活动，作为人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。深空探测不仅是一个国家科技水平的体现，同时也是综合国力的体现。
3.目前，我国已经实现了星球巡视器登陆、火星车登陆，然而外星球地表情况复杂难以预估导致星球巡视器等任务探测车着陆困难，为了更好的应对着陆地点复杂的地表情况，有必要对现有的探测车着陆机构进行改进，让探测车能够安全平稳着陆。
4.转移机构是将着陆器搭载的巡视器转移释放到星球表面的组件，它在地外天体探测领域有着重要应用。转移机构所代表的转移释放技术是整个地外天体探测任务所需的技术体系中的关键技术之一，是决定探测任务成败的关键一环。
5.根据着陆方式及巡视器质量不同，转移机构的形式多样。以星球巡视器的转移工作为例，其要求在地月转移段、环月段和动力下降段等飞行过程，星球巡视器及转移机构应可靠压紧在着陆器的侧壁上，并能承受横向和纵向加速度载荷；在着陆器安全着陆月面后，星球巡视器在转移机构的作用下可靠转移至月面并可靠脱离。这也就对转移机构提出了更高的要求，需要落月转移机构在飞行阶段及落月转移前，星球巡视器及转移机构安全可靠压紧安装在着陆器上；着陆器在落月后，转移机构及星球巡视器实现与着陆器的分离解锁，转移机构将星球巡视器可靠转移至月面，同时，着陆器存在侧倾俯仰等各种工况，为此，转移机构应能在各种着陆工况下，均可实现将星球巡视器可靠转移至月面，星球巡视器落月地点应具有一定可选范围，以避开月面凹坑和凸起；星球巡视器平稳落月后，星球巡视器与转移机构脱离，实现星球巡视器月面自由行走。
6.其他巡视器的要求与星球巡视器基本相同，因此需要提供一种能够满足现阶段星球巡视器转移的方案。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明旨在提出一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置和转移方法，以解决转移机构及星球巡视器实现与着陆器的分离解锁，如何使转移机构将星球巡视器可靠转移至月面，且能在各种着陆工况下，均可实现将星球巡视器可靠转移至月面，以及星球巡视器落月地点应具有一定可选范围，以避开月面凹坑和凸起的多个技术问题。
8.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置，包括脱离机构、伸缩摆杆、前臂和摆杆释放机构，所述伸缩摆杆一端固定在着陆器上，另一端与前臂连接，所述前臂通过脱离机构与星球巡视器连接，所述摆杆释放机构固定于着陆器侧壁，为伸缩摆杆的作动提供动力，完成伸缩和释放。
9.更进一步地，所述摆杆释放机构包括伸缩电机和摆杆电机，所述摆杆电机通过牵引绳与伸缩摆杆连接，所述伸缩电机和摆杆电机均固定于着陆器侧壁，所述伸缩电机为伸缩摆杆的作动提供动力。
10.更进一步地，所述摆杆电机正转时放牵引绳，使伸缩摆杆缓慢下降；反转时通过牵引绳触发脱离机构，使星球巡视器离转移机构。
11.更进一步地，所述伸缩摆杆包括多级杆，多级杆呈套管结构，所述伸缩摆杆通过铰链支座固定在着陆器侧壁上。
12.更进一步地，所述伸缩摆杆包括一级杆、二级杆和三级杆，其中一级杆与铰链支座通过回转副连接，一级杆与二级杆以及二级杆与三级杆通过滑动副连接，三级杆前端与前臂通过回转副连接。
13.更进一步地，所述伸缩摆杆与前臂的连接处设置有翻转限位块。
14.更进一步地，所述前臂上设置有限位装置，保证前臂只能向内侧旋转。
15.更进一步地，所述限位装置为前臂挡销，所述翻转限位块与前臂挡销配合完成前臂的限位。
16.一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的转移方法，具体包括以下步骤：
17.(1)压紧点释放，星球巡视器呈180
°
翻转：压紧点释放后，摆杆电机放绳，在铰链支座的涡卷弹簧作用下，伸缩摆杆绕铰链支座o点向外摆动，直到伸缩摆杆低于水平面，同时，在前臂与脱离机构的作用下，星球巡视器缓缓实现180
°
翻转；
18.(2)伸长：伸缩摆杆伸长，翻转限位块与前臂挡销脱离，由此前臂与三级杆之间的摆动机构脱开，后续实现月球车姿态摆正；
19.(3)前轮接触月面：伸缩电机正转放绳，同时摆杆电机配合放绳，使伸缩摆杆伸长；当伸缩摆杆伸长到既定长度后，摆杆电机继续放绳，伸缩摆杆继续绕铰链支座向下摆，直到月球车前轮触地；
20.(4)月球车着陆，火工品分离解锁。
21.与现有技术相比，本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置和转移方法的有益效果是：
22.(1)本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置，仅用两个电机完成所有动作，能够有效减少驱动部件的数量。
23.(2)本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置，能够在直线范围内任意选择适合星球巡视器着陆的释放位置，着陆灵活。
24.(3)本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的伸缩摆杆的摆转和伸展均由电机驱动，且摆转角度可调节，因此不会受着陆器的落月姿态影响。
25.(4)本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置，结构简单，可靠性高，质量小，加工成本低，且适用多种工况。
附图说明
26.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
27.图1为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的结构示意图一；
28.图2为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的结构示意图二；
29.图3为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的月球车压紧在着陆器-z侧的初始状态图；
30.图4为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的压紧点释放，月球车180
°
翻转的示意图；
31.图5为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的伸缩摆杆伸长的示意图；
32.图6为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的前轮接触月面的示意图；
33.图7为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的月球车着陆，火工品分离解锁的示意图；
34.图8为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置在俯仰-14
°
状态下的示意图；
35.图9为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置在俯仰14
°
状态下的示意图；
36.图10为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置在侧倾14
°
状态下的示意图，其中(a)表示初始工况，(b)表示转移完成工况；
37.图11为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置伸缩摆杆的立体图；
38.图12为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置伸缩摆杆另一角度的立体图；
39.图13为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的伸缩摆杆的伸缩原理示意图；
40.图14为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的前臂翻转示意图；
41.图15为本发明所述的一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的月球车触地示意图；
42.图中：1-脱离机构，2-星球巡视器，3-伸缩摆杆，4-铰链支座，5-前臂，6-伸缩电机，7-摆杆电机，8-定滑轮，9-一级杆，10-二级杆，11-三级杆，12-滑杆，13-翻转限位块，14-前臂挡销，15-着陆器。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
44.一、具体实施方式一，参见图1-15说明本实施方式，一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置，包括脱离机构1、伸缩摆杆3、前臂5和摆杆释放机构，所述伸缩摆杆3一端固定在着陆器15上，另一端与前臂5连接，所述前臂5通过脱离机构1与星球巡视器2连接，所述摆杆释放机构固定于着陆器15侧壁，为伸缩摆杆3的作动提供动力，完成伸缩和释放。
45.所述摆杆释放机构包括伸缩电机6和摆杆电机7，所述摆杆电机7通过牵引绳与伸缩摆杆3连接，所述伸缩电机6和摆杆电机7均固定于着陆器15侧壁，所述伸缩电机6为伸缩摆杆3的作动提供动力。
46.所述摆杆电机7正转时放牵引绳，使伸缩摆杆3缓慢下降；反转时通过牵引绳触发脱离机构1，使星球巡视器2脱离转移机构。
47.所述伸缩摆杆3包括多级杆，多级杆呈套管结构，所述伸缩摆杆3通过铰链支座4固
定在着陆器15侧壁上。
48.所述伸缩摆杆3包括一级杆9、二级杆10和三级杆11，其中一级杆9与铰链支座4通过回转副连接，一级杆9与二级杆10以及二级杆10与三级杆11通过滑动副连接，三级杆11前端与前臂5通过回转副连接。
49.所述伸缩摆杆3与前臂5的连接处设置有翻转限位块13。
50.所述前臂5上设置有限位装置，保证前臂5只能向内侧旋转。
51.所述限位装置为前臂挡销14，所述翻转限位块13与前臂挡销14配合完成前臂5的限位。
52.本实施例以落月转移过程为例，所述星球巡视器2为月球车。
53.拉希德号月球车安装在着陆器15-z侧，为满足运载包络空间要求，月球车与着陆器15的连接形式采用侧挂连接形式。月球车与着陆器14通过压紧机构连接，着陆器落月后，转移机构将月球车由侧挂状态转移至月面平坦位置并释放，同时在转移过程中能够将月球车调整至可行驶状态，方案示意图如图1-2所示。
54.该方案主要由摆杆电机7、铰链支座4、伸缩电机6、伸缩摆杆3、前臂5、脱离机构1等组成。
55.(1)铰链支座4：固定于着陆器15侧壁，在旋转轴处设置涡卷弹簧，为摆杆的摆动提供动力。
56.(2)伸缩摆杆3：由三段构成，分别为一级杆9、二级杆10、三级杆11和套管结构，其中一级杆9与铰链支座4通过回转副连接，一级杆9与二级杆10、二级杆10与三级杆11通过滑动副连接，三级杆11前端与前臂5通过回转副连接，并通过结构限位使前臂5只能向内侧旋转。
57.伸缩摆杆3结构如图11-13所示，由三段构成，分别为一级杆9、二级杆10、三级杆11，类似套管结构，其中一级杆9与铰链支座4通过回转副链接，一级杆9与二级杆10、二级杆10与三级杆11通过滑动副链接。每根杆的侧面固定有滑轮，绳的一端固定在a轴，并依次绕过b、c、d、e、f、g、h。当伸缩电机收绳时，g与f(同时a与b)相互靠近，c与d(同时e与d)相互靠近，造成的结果是二级杆10相对于一级杆9向前延伸，三级杆11相对于二级杆10向前延伸，伸缩摆杆3整体被拉长，原理如图13所示。一级杆9侧面伸出一个翻转限位块13，与前臂5的挡销接触14。当一级杆9未伸展时，月球车和前臂5的转动被限制；当伸缩摆杆3伸长一定距离后，翻转限位块13与前臂挡销14脱离，前臂5向内摆的自由度被释放，可带动月球车实现落月姿态调整。如图5-11所示。
58.(3)伸缩电机6：固定于着陆器15侧壁，为伸缩摆杆3的作动提供动力。
59.(4)摆杆电机7：固定于着陆器15侧壁，内有棘轮机构，正转时放绳，使伸缩摆杆3缓慢下降；反转时通过牵引绳触发脱离机构1，使月球车脱离转移机构。所述脱离机构1为火工螺母，采用火工螺母固定月球车，摆杆电机7反转通过牵引绳触发火工螺母解锁。
60.(5)前臂5：通过回转副与三级杆11相连，为月球车矫正落地姿态；
61.(6)脱离机构1：前臂5与三级杆11通过铰链连接。当月球车前轮触月后，伸缩摆杆3再继续向下摆转，月球车自然就摆正了。
62.所述一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的解锁及转移过程：
63.(1)初始状态：月球车压紧在着陆器15-z侧，同时，转移机构也被压紧。
64.(2)压紧点释放，月球车180
°
翻转：压紧点释放后，摆杆电机7放绳，在铰链支座4的涡卷弹簧作用下，伸缩摆杆3绕铰链支座4o点向外摆动，直到伸缩摆杆3低于水平面。同时，在前臂5与脱离机构1之间的作用下，月球车缓缓实现180
°
翻转。
65.(3)伸长：伸缩摆杆3伸长，翻转限位块13与前臂挡销14脱离，由此前臂5与三级杆11之间的摆动机构脱开，后续实现月球车姿态摆正。
66.(4)前轮接触月面：伸缩电机6正转放绳，同时摆杆电机7配合放绳，使伸缩摆杆3伸长。当伸缩摆杆3伸长到既定长度后，摆杆电机7继续放绳，伸缩摆杆3继续绕铰链支座4向下摆，直到月球车前轮触地。
67.(5)月球车着陆，火工品分离解锁。
68.所述一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置的工况适应性分析：
69.工况1：俯仰-14
°
70.俯仰-14
°
状态下，月球车的重心在铰链支座4回转轴外侧，机构展开不会受到影响，工况姿态如图8所示。
71.工况2：俯仰14
°
72.俯仰14
°
状态下月球车的重心在铰链支座4回转轴左侧，初始状态依靠月球车重力产生逆时针翻转力矩，无法实现月球车顺时针侧向摆动，为此需要依靠涡卷弹簧助力才能实现侧向摆转，工况姿态如图9所示。
73.工况3：侧倾14
°
74.侧倾14
°
时不会影响转移机构展开。若着陆器与月球车着陆平面不具有相同的侧倾角度，当转移完成，月球车接触月面时，月球车车轮只能单侧接触月面，另一侧不能接触月面，并与月面有h的距离。为此，前臂5应有一定的
±
14
°
角度适应范围，可使用对中弹簧保持其中间状态，当接触倾斜月面时，在重力矩的作用下自适应月面侧倾工况，工况姿态如图10所示。
75.对于其他星球的星球巡视器转移方案与落月转移过程相同，星球巡视器2为对应的星球的巡视器即可。
76.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

技术特征：
1.一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置，其特征在于：包括脱离机构(1)、伸缩摆杆(3)、前臂(5)和摆杆释放机构，所述伸缩摆杆(3)一端固定在着陆器(15)上，另一端与前臂(5)连接，所述前臂(5)通过脱离机构(1)与星球巡视器(2)连接，所述摆杆释放机构固定于着陆器(15)侧壁，为伸缩摆杆(3)的作动提供动力，完成伸缩和释放。2.根据权利要求1所述的绳驱伸缩摆杆托举转移装置，其特征在于：所述摆杆释放机构包括伸缩电机(6)和摆杆电机(7)，所述摆杆电机(7)通过牵引绳与伸缩摆杆(3)连接，所述伸缩电机(6)和摆杆电机(7)均固定于着陆器(15)侧壁，所述伸缩电机(6)为伸缩摆杆(3)的作动提供动力。3.根据权利要求1所述的绳驱伸缩摆杆托举转移装置，其特征在于：所述摆杆电机(7)正转时放牵引绳，使伸缩摆杆(3)缓慢下降；反转时通过牵引绳触发脱离机构(1)，使星球巡视器(2)脱离转移机构。4.根据权利要求1、2或3所述的绳驱伸缩摆杆托举转移装置，其特征在于：所述伸缩摆杆(3)包括多级杆，多级杆呈套管结构，所述伸缩摆杆(3)通过铰链支座(4)固定在着陆器(15)侧壁上。5.根据权利要求4所述的绳驱伸缩摆杆托举转移装置，其特征在于：所述伸缩摆杆(3)包括一级杆(9)、二级杆(10)和三级杆(11)，其中一级杆(9)与铰链支座(4)通过回转副连接，一级杆(9)与二级杆(10)以及二级杆(10)与三级杆(11)通过滑动副连接，三级杆(11)前端与前臂(5)通过回转副连接。6.根据权利要求5所述的绳驱伸缩摆杆托举转移装置，其特征在于：所述伸缩摆杆(3)与前臂(5)的连接处设置有翻转限位块(13)。7.根据权利要求6所述的绳驱伸缩摆杆托举转移装置，其特征在于：所述前臂(5)上设置有限位装置，保证前臂(5)只能向内侧旋转。8.根据权利要求7所述的绳驱伸缩摆杆托举转移装置，其特征在于：所述限位装置为前臂挡销(14)，所述翻转限位块(13)与前臂挡销(14)配合完成前臂(5)的限位。9.一种根据权利要求1所述的绳驱伸缩摆杆托举转移装置的转移方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)压紧点释放，星球巡视器(2)呈180
°
翻转：压紧点释放后，摆杆电机(7)放绳，在铰链支座(4)的涡卷弹簧作用下，伸缩摆杆(3)绕铰链支座(4)向外摆动，直到伸缩摆杆(3)低于水平面，同时，在前臂(5)与脱离机构(1)的作用下，星球巡视器(2)缓缓实现180
°
翻转；(2)伸长：伸缩摆杆(3)伸长，翻转限位块(13)与前臂挡销(14)脱离，由此前臂(5)与三级杆(11)之间的摆动机构脱开，后续实现月球车姿态摆正；(3)前轮接触月面：伸缩电机(6)正转放绳，同时摆杆电机(7)配合放绳，使伸缩摆杆(3)伸长；当伸缩摆杆(3)伸长到既定长度后，摆杆电机(7)继续放绳，伸缩摆杆(3)继续绕铰链支座(4)向下摆，直到月球车前轮触地；(4)月球车着陆，火工品分离解锁。

技术总结
本发明提出了一种绳驱伸缩摆杆托举转移装置和转移方法，属于星球巡视器转移机构技术领域。解决了转移机构及星球巡视器实现与着陆器的分离解锁，如何使转移机构将星球巡视器可靠转移至月面，且能在各种着陆工况下，均可实现将星球巡视器可靠转移至月面，以及星球巡视器落月地点应具有一定可选范围，以避开月面凹坑和凸起的多个技术问题。它包括脱离机构、伸缩摆杆、前臂和摆杆释放机构，伸缩摆杆一端固定在着陆器上，另一端与前臂连接，前臂通过脱离机构与星球巡视器连接，摆杆释放机构固定于着陆器侧壁，为伸缩摆杆的作动提供动力，完成伸缩和释放。本发明能够在直线范围内任意选择适合星球巡视器着陆的释放位置，着陆灵活。着陆灵活。着陆灵活。


技术研发人员：杨知伦 李建永 周小龙 王印超 唐钧跃 张伟伟 杨飞 姜生元 邓宗全
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学 沈阳航空航天大学
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/4/17