一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置及方法与流程

1.本技术属于空间机器人地面试验验证领域，涉及到一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置设计，属于航天智能验证技术领域。


背景技术：

2.随着巨型互联网星座计划的发展所引发的大量失效卫星的主动清除成为新的研究焦点。捕获装置的轻小型化、可重复使用、低成本是大数量失效卫星主动清除技术研究所追求的目标。
3.基于智能变形材料的空间柔性抓捕系统因其轻小型化及低成本的特点，成为空间抓捕领域新的研究方向。基于记忆合金、ipmc(离子聚合物金属复合)等新型智能材料的柔性捕获装置具有轻质、收纳比大、可重复使用、成本低等优点。但由于负载力矩小，更适合于针对微小型目标开展精细化柔顺操作。基于气压驱动的柔性仿生捕获技术是近期可实现工程应用的最佳选择之一。总的来说，空间柔性抓捕材料技术成熟度低，距离工程应用还有一定的距离。
4.为了在地面环境中开展空间柔性抓捕系统试验验证，需要在地面重力环境中实现柔性抓捕系统的微重力环境模拟。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置及方法，能够在地面环境中实现模拟空间微重力环境进行试验验证。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，包括：
8.外框架、目标驱动机构、柔性抓捕系统；
9.目标驱动机构连接于外框架，目标驱动机构包括驱动目标以垂直于地面方向为轴线进行转动的旋转驱动装置、驱动目标和旋转驱动装置一同沿着垂直于地面方向移动的竖直驱动装置，目标通过第一拉线连接于旋转驱动装置，竖直驱动装置通过拉动第一拉线移动，以保证对目标的拉力等于目标的重力；
10.柔性抓捕系统包括软体臂、安装板、软体臂驱动机构，安装板连接于外框架，软体臂一端固定连接于安装板上，软体臂另一端通过第二拉线与软体臂微重力模拟驱动机构连接；软体臂微重力模拟驱动机构通过将第二拉线收紧，且软体臂驱动机构用于控制第二拉线拉动软体臂的位置和角度、以保证对软体臂的拉力等于软体臂的重力。
11.所述竖直驱动装置包括第一旋转电机、第一联轴器、第一滚珠丝杠，第一滚珠丝杠包括丝杠、壳体、滑动块，第一旋转电机可拆卸连接于外框架的顶部，第一旋转电机的输出轴通过第一联轴器与丝杠连接，外壳与第一旋转电机的外壳相对固定，滑动块与丝杠螺纹连接，滑动块与壳体滑动连接，目标和旋转驱动装置均与滑动块连接。
12.所述旋转驱动装置包括第二旋转电机、连接于第二旋转电机输出轴上的电动夹
具，电动夹具用于夹紧目标；目标下表面安装角速度传感器，用于实时测量目标的旋转角速度。
13.所述电动夹具下端面安装拉力传感器，拉力传感器受力面通过第一拉线与目标连接。
14.所述软体臂的一端连接于基座，基座连接于安装板上，软体臂设置n个，n为≧2的偶数，软体臂根部在基座上呈圆周分布，且对侧软体臂根部安装在圆直径与圆周两个交点位置，两条对侧软体臂的拉线滑轨平行于两条软体臂根部连线且拉线滑轨与两条软体臂根部连线所在平面垂直于地面。
15.每个所述软体臂均设置一个软体臂驱动机构，软体臂驱动机构包括第三旋转电机、第二联轴器、第二滚珠丝杠、第五旋转电机，第三旋转电机通过安装支架与外框架固定连接，第二滚珠丝杠包括丝杠、壳体、滑动块，第三旋转电机的输出轴通过第一联轴器与丝杠连接，外壳与第三旋转电机的外壳相对固定，滑动块与丝杠螺纹连接，滑动块与壳体滑动连接第五旋转电机固定连接于滑动块，第二拉线连接于第五旋转电机的输出轴。
16.所述外框架四条竖直支柱上以1cm为间隔设置螺母固定孔，通过螺母固定孔固定软体臂安装板，可根据需要试验的软体臂的长度选择四个高度相同的螺母固定孔固定软体臂安装板，四条竖直支柱长度为l，试验用软体臂长度为ls,目标吊点高度为h，目标轮廓最长直线为lt，则选择螺母固定孔高度为[l-ls-h-lt/5,l-ls-h-1lt/3]。
[0017]
所述第二拉线上连接有角度传感器，角度传感器用于测量第二拉线角度。
[0018]
所述第二拉线与软体臂之间安装拉力传感器，用于实时感受拉线上拉力应等于软体臂重力，以抵消软体臂重力对其运动特性的影响。
[0019]
一种空间柔性抓捕系统地面物理验证方法，包括：
[0020]
旋转驱动装置夹持目标进行转动，实现目标绕垂直于地面轴线方向上设定的初始角速度，然后松开目标，目标即按照设定角速度旋转运动；
[0021]
柔性抓捕系统充气，并向目标方向运动，捕获目标，在这个过程中，第二拉线的位置和长度根据角度传感器和力传感器信息实时调节，使第二拉线拉力抵消软体臂重力；，同时竖直驱动装置带动第一拉线一端上移，以使第一拉线对目标的拉力等于目标的重力；
[0022]
根据上述步骤，获得软体臂末端压力传感器数据，以及目标角速度数据，通过软体臂末端压力传感器数据、目标角速度数据来分析不同软体臂气压对软体臂施加在目标上的消旋力的影响，以及对目标消旋速度的影响，以此来优化改善软体臂制造材料，尺寸参数，驱动气压等。
[0023]
综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：
[0024]
(1)通过对目标驱动系统实现抓捕目标在垂直于地面的轴线方向上的旋转运动模拟，目标初始角速度可根据试验需求进行控制，且实现整个试验过程中目标的微重力模拟；
[0025]
(2)通过柔性抓捕微重力模拟系统的设置，实现软体臂抓捕消旋目标全过程的微重力环境模拟。；
[0026]
(3)能够记录软体臂目标抓捕消旋全过程中软体臂对目标施加的消旋力及目标角速度的变化情况，以此分析判断所设计软体臂的材料、驱动气压等参数的可行性和合理性。
附图说明
[0027]
图1为空间柔性抓捕系统地面物理验证装置结构图；
[0028]
图2为目标平移和旋转自由度结构示意图；
[0029]
图3为目标平移和旋转自由度结构示意图。
[0030]
附图标记说明：1、外框架；
[0031]
2、目标；21、第一拉线；22、角速度传感器；
[0032]
31、第一旋转电机；32、第一联轴器；33、第一滚珠丝杠；
[0033]
41、第二旋转电机；42、电动夹具；
[0034]
5、拉力传感器；
[0035]
61、软体臂；62、基座；63、安装板；64、第二拉线；65、角度传感器；
[0036]
71、第三旋转电机；72、第二联轴器；73、第二滚珠丝杠；74、第五旋转电机。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述：
[0038]
本技术实施例公开一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置及方法，如图1所示，验证装置包括外框架1、目标驱动机构、柔性抓捕系统。目标2驱动机构可拆卸连接于外框架1内部的顶部，用于驱动目标2模拟空间微重力环境、以及进行垂直于底面方向的移动和/或以垂直地面方向为轴线的转动，柔性抓捕系统用于模拟空间微重力环境下对目标2进行抓捕的过程。
[0039]
目标驱动机构连接于外框架1，目标驱动机构包括驱动目标2以垂直于地面方向为轴线进行转动的旋转驱动装置、驱动目标2和旋转驱动装置一同沿着垂直于地面方向移动的竖直驱动装置，目标2通过第一拉线21连接于旋转驱动装置，竖直驱动装置通过拉动旋转驱动装置和第一拉线21一同移动，以保证对目标2的拉力等于目标2的重力。
[0040]
如图2所示，竖直驱动装置包括第一旋转电机31、第一联轴器32、第一滚珠丝杠33，第一滚珠丝杠33包括丝杠、壳体、滑动块，第一旋转电机31可拆卸连接于外框架1的顶部，第一旋转电机31的输出轴通过第一联轴器32与丝杠连接，外壳与第一旋转电机31的外壳相对固定，滑动块与丝杠螺纹连接，滑动块与壳体滑动连接，目标2和旋转驱动装置均与滑动块连接。
[0041]
第一旋转电机31安装有基座，通过螺母连接于外框架1顶部，外框架1顶部设置多个用于连接基座的螺孔。当模拟柔性抓捕系统对目标2在不同位置的抓捕过程时，将第一旋转电机31于外框架1之间拆卸下来、并将第一旋转电机31安装于外框架1顶部的其他位置。
[0042]
旋转驱动装置包括第二旋转电机41、连接于第二旋转电机41输出轴上的电动夹具42，电动夹具42用于夹紧目标2，电动夹具42张开角度较大，不会阻挡目标2上下移动；电动夹具42下端面安装拉力传感器5，拉力传感器5受力面通过第一拉线21与目标2连接。目标2下表面安装角速度传感器22，用于实时测量目标2的旋转角速度。
[0043]
柔性抓捕系统包括软体臂61、基座62、安装板63、软体臂驱动机构，软体臂61的一端连接于基座62，基座62连接于安装板63上，安装板63连接于外框架1，软体臂61另一端通过第二拉线与软体臂驱动机构连接。
[0044]
软体臂61设置n个，n为≧2的偶数，软体臂61根部在基座62上呈圆周分布，且对侧
软体臂61根部安装在圆直径与圆周两个交点位置，两条对侧软体臂61的拉线滑轨平行于两条软体臂根部连线、且拉线滑轨与两条软体臂根部连线所在平面垂直于地面。
[0045]
如图3所示，每个软体臂61均设置一个软体臂驱动机构，软体臂驱动机构包括第三旋转电机71、第二联轴器72、第二滚珠丝杠73、第五旋转电机74，第三旋转电机71通过安装支架与外框架1固定连接，第二滚珠丝杠73包括丝杠、壳体、滑动块，第三旋转电机71的输出轴通过第一联轴器32与丝杠连接，外壳与第三旋转电机71的外壳相对固定，滑动块与丝杠螺纹连接，滑动块与壳体滑动连接，第五旋转电机74固定连接于滑动块，第二拉线连接于第五旋转电机74的输出轴，具体的，第五旋转电机74的输出轴可以连接收卷轮，用于对第二拉线的收卷拉紧。第二拉线64连接有角度传感器65，角度传感器65用于测量第二拉线角度。第二拉线与软体臂61之间安装拉力传感器5，用于实时感受第二拉线上拉力应等于软体臂61重力，由于软体臂61一端被第二拉线拉动的过程中，软体臂61另一端与基座62之间较为松弛，软体臂收到的拉力几乎不会传递至基座62上，所以使第二拉线64对目标2的拉力等于目标2的重力时，认为刚好抵消软体臂61重力对其运动特性的影响。
[0046]
软体臂驱动机构通过将第二拉线收紧，以保证对软体臂61的拉力等于软体臂61的重力，且软体臂驱动机构用于控制第二拉线拉动软体臂61的位置和角度、以使软体臂61捕获目标2。
[0047]
外框架四条竖直支柱上以1cm为间隔设置螺母固定孔，通过螺母固定孔固定软体臂安装板，可根据需要试验的软体臂的长度选择四个高度相同的螺母固定孔固定软体臂安装板，四条竖直支柱长度为l，试验用软体臂长度为ls,目标吊点高度为h，目标轮廓最长直线为lt，则选择螺母固定孔高度为[l-ls-h-lt/5,l-ls-h-1lt/3]。
[0048]
本试验装置能够模拟目标2物大致尺寸，并能够模拟太空无重力环境中目标2物绕单轴的旋转运动和平移运动，通过改变第一旋转电机31的安装位置，可以悬挂在以顶框架为中心，r为半径的圆柱范围内。
[0049]
第一旋转电机31通过第一联轴器32带动第一滚珠丝杠33运动，实现目标2沿垂直于地面轴线方向的平移运动；第二旋转电机41输出轴上安装电动夹具42，电动夹具42下端面安装拉力传感器5，拉力传感器5受力面通过拉线与目标2连接；目标2下表面安装角速度传感器22，可以实时测量目标2的旋转角速度。
[0050]
本地面物理验证装置可以模拟目标2绕垂直于地面轴线方向的初始角速度，当电动夹具42夹持目标2时，通过第二旋转电机41的转动，实现目标2绕垂直于地面轴线方向的旋转运动，通过控制第二旋转电机41输出轴角速度控制目标2角速度，通过角速度传感器22实时测量目标2角速度，当目标2角速度到达设定目标2初始角速度时，电动夹具42松开，目标2即安装设定角速度旋转运动。
[0051]
拉力传感器5实时感知拉力大小，当软体臂61接触目标2后，拉力传感器5测量值发生变化，当拉力测量值小于目标2重量时，第一旋转电机31转动，使目标2沿垂直于地面轴线向上运动，直到拉力传感器5感知拉力值等于目标2重量。
[0052]
第二滚珠丝杠73直线运动输出端在双向滑轨上由电机控制可自由移动，以模拟两个滑轨方向自由度上的目标2运动。
[0053]
将n(n为》＝2的偶数)根软体臂61安装在安装板63上，在软体臂61末端位置的第二拉线竖直往上施力抵消软体臂61重力影响；软体臂61重力抵消装置如图3所示。以某条软体
臂61重力抵消装置来说明，软体臂61抓抱目标2运动过程中，角度传感器65测量软体臂61拉线角度，第三旋转电机71通过第二联轴器72驱动第二滚珠丝杠73直线输出端在滑轨上平移，使角度传感器65输出拉线偏角为零；根据软体臂61拉线力传感器测量值，第五旋转电机74带动卷筒运动实现软体臂61拉线收放，使力传感器测量值等于软体臂61重力。以此保证软体臂61拉线对软体臂61重力的抵消。
[0054]
验证方法包括：
[0055]
一种空间柔性抓捕系统地面物理验证方法，包括
[0056]
当目标2抓捕任务开始，首先电动夹具42夹持目标2，通过第二旋转电机41的转动，带动目标2进行转动，实现目标2绕垂直于地面轴线方向上设定的初始角速度，然后松开目标2，目标2即按照设定角速度旋转运动，同时竖直驱动装置带动第一拉线21一端上移，以使第一拉线21对目标的拉力等于目标2的重力。
[0057]
柔性抓捕系统充气，软体臂61在软体臂驱动机构的驱动下向目标2方向运动，捕获目标2，在这个过程中，第二拉线的位置和长度根据角度传感器65和力传感器信息实时调节，使第二拉线拉力抵消软体臂61重力；
[0058]
根据上述步骤，获得软体臂末端压力传感器数据，以及目标角速度数据，通过软体臂末端压力传感器数据、目标角速度数据来分析不同软体臂气压对软体臂施加在目标上的消旋力的影响，以及对目标消旋速度的影响，以此来优化改善软体臂制造材料，尺寸参数，驱动气压等。
[0059]
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：包括外框架(1)、目标驱动机构、柔性抓捕系统；目标驱动机构连接于外框架(1)，目标驱动机构包括驱动目标(2)以垂直于地面方向为轴线进行转动的旋转驱动装置、驱动目标和旋转驱动装置一同沿着垂直于地面方向移动的竖直驱动装置，目标(2)通过第一拉线(21)连接于旋转驱动装置，竖直驱动装置通过拉动第一拉线(21)移动，以保证对目标(2)的拉力等于目标(2)的重力；柔性抓捕系统包括软体臂(61)、安装板(63)、软体臂驱动机构，软体臂末端与目标接触侧安装压力传感器，安装板(61)连接于外框架(1)，软体臂(61)一端固定连接于安装板(63)上，软体臂(61)另一端通过第二拉线与软体臂微重力模拟驱动机构连接；软体臂微重力模拟驱动机构通过将第二拉线(64)收紧，且软体臂微重力模拟驱动机构用于控制第二拉线(64)拉动软体臂(61)的位置和角度、以保证对软体臂(61)的拉力等于软体臂(61)的重力。2.根据权利要求1所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：所述竖直驱动装置包括第一旋转电机(31)、第一联轴器(32)、第一滚珠丝杠(33)，第一滚珠丝杠(33)包括丝杠、壳体、滑动块，第一旋转电机(31)可拆卸连接于外框架(1)的顶部，第一旋转电机(31)的输出轴通过第一联轴器(32)与丝杠连接，外壳与第一旋转电机(31)的外壳相对固定，滑动块与丝杠螺纹连接，滑动块与壳体滑动连接，目标和旋转驱动装置均与滑动块连接。3.根据权利要求1所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：所述旋转驱动装置包括第二旋转电机(41)、连接于第二旋转电机(41)输出轴上的电动夹具(42)，电动夹具(42)用于夹紧目标；目标下表面安装角速度传感器(22)，用于实时测量目标的旋转角速度。4.根据权利要求3所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：所述电动夹具(42)下端面安装拉力传感器(5)，拉力传感器(5)受力面通过第一拉线与目标连接。5.根据权利要求1所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：所述软体臂(61)的一端连接于基座(62)，基座(62)连接于安装板(63)上，软体臂(61)设置n个，n为≧2的偶数，软体臂根部在基座上呈圆周分布，且对侧软体臂根部安装在圆直径与圆周两个交点位置，两条对侧软体臂的拉线滑轨平行于两条软体臂根部连线且拉线滑轨与两条软体臂根部连线所在平面垂直于地面。6.根据权利要求5所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：每个所述软体臂(61)均设置一个软体臂微重力模拟驱动机构，软体臂微重力模拟驱动机构包括第三旋转电机(71)、第二联轴器(72)、第二滚珠丝杠(73)、第五旋转电机(74)，第三旋转电机(71)通过安装支架与外框架固定连接，第二滚珠丝杠(73)包括丝杠、壳体、滑动块，第三旋转电机(71)的输出轴通过第一联轴器(72)与丝杠连接，外壳与第三旋转电机(71)的外壳相对固定，滑动块与丝杠螺纹连接，滑动块与壳体滑动连接，第五旋转电机固定连接于滑动块，第二拉线(64)连接于第五旋转电机(74)的输出轴。7.根据权利要求1所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：所述外框架四条竖直支柱上以1cm为间隔设置螺母固定孔，通过螺母固定孔固定软体臂安装板，可根据需要试验的软体臂的长度选择四个高度相同的螺母固定孔固定软体臂安装板，四条
竖直支柱长度为l，试验用软体臂长度为ls,目标吊点高度为h，目标轮廓最长直线为lt，则选择螺母固定孔高度为[l-ls-h-lt/5,l-ls-h-1lt/3]。8.根据权利要求1所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：所述第二拉线(64)上连接有角度传感器(65)，角度传感器用于测量第二拉线角度。9.根据权利要求1所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：所述第二拉线(64)与软体臂(61)之间安装拉力传感器(5)，用于实时检测第二拉线(64)上的拉力，通过软体臂微重力模拟驱动装置使第二拉线(64)上拉力等于软体臂(61)重力。10.一种空间柔性抓捕系统地面物理验证方法，使用权利要求1-9任一所述的一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置，其特征在于：包括旋转驱动装置夹持目标(2)进行转动，实现目标(2)绕垂直于地面轴线方向上设定的初始角速度，然后松开目标(2)，目标(2)即按照设定角速度旋转运动；柔性抓捕系统充气，并向目标(2)方向运动，捕获目标(2)，在这个过程中，第二拉线(64)的位置和长度根据软体臂(61)连接的角度传感器65和拉力传感器信息实时调节，使第二拉线拉力(64)等于软体臂重力，同时竖直驱动装置带动第一拉线(21)一端上移，以使第一拉线(21)对目标的拉力等于目标(2)的重力；根据上述步骤，获得软体臂末端压力传感器数据，以及目标角速度数据，通过软体臂末端压力传感器数据、目标角速度数据，获得不同软体臂气压对软体臂施加在目标上的消旋力的影响，以及对目标消旋速度的影响。

技术总结
本申请公开了一种空间柔性抓捕系统地面物理验证装置及方法，涉及空间机器人地面试验验证领域，包括外框架；目标驱动机构，包括驱动目标以垂直于地面方向为轴线进行转动的旋转驱动装置、驱动目标和旋转驱动装置一同沿着垂直于地面方向移动的竖直驱动装置，目标通过第一拉线连接于旋转驱动装置；柔性抓捕系统，包括软体臂、安装板、软体臂驱动机构，安装板连接于外框架，软体臂一端固定连接于安装板上，软体臂另一端通过第二拉线与柔性臂驱动系统连接；软体臂驱动机构用于控制第二拉线拉动软体臂的位置和角度、以使软体臂捕获目标。能够在地面环境中实现模拟空间微重力环境进行试验验证。验证。验证。


技术研发人员：李晓琪 陈志鸿 段嘉琪 杜宝森 李通通
受保护的技术使用者：北京精密机电控制设备研究所
技术研发日：2022.10.26
技术公布日：2023/4/5