一种空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构的制作方法

本发明涉及微小型空间碎片抓捕领域，具体为一种空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构。

背景技术：

近些年，随着航天活动的日益增多，空间碎片的数量呈几何级数增长。由于外界扰动，大多空间碎片在空间中漂浮自旋，微小型空间碎片会与航天器发生碰撞，撞击可引起航天器部组件、分系统和整器功能损失，也可能导致整个航天器爆炸解体，进而彻底失效，造成严重的后果。

因此就需要对空间碎片进行抓捕收集，由于空间碎片具有几何外形不确定，以及运动状态不确定性，碎片目前尚不能精准监测，无法确定抓捕点，采用传统点接触方式抓捕，空间碎片和抓捕机构之间会有相对运动，给抓捕造成困难，造成抓捕失败。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构，能够形成封闭式包络结构，使空间碎片无法逃逸，从而完成对空间碎片的抓捕。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构，包括气动人工肌肉、叶片组和用于与机械手连接的底部叶片；

其中，多个叶片组圆周均布在底部叶片的边缘，叶片组与底部叶片相互铰接，每个叶片组对应设置一个气动人工肌肉，气动人工肌肉的两端分别与叶片组和底部叶片的内侧壁连接，气动人工肌肉用于驱动叶片组旋转，使抓捕机构打开或闭合；

当抓捕机构呈闭合状态，多个叶片组和底部叶片形成空心球状结构。

优选的，所述底部叶片为五边形结构，在每个侧边上分别铰接一叶片组。

优选的，所述叶片组包括两个结构相同的叶片单元，每个叶片单元包括第一六边形叶片、第二六边形叶片和一个五边形叶片；

其中，第二六边形叶片和五边形叶片分别铰接在第一六边形叶片相邻的两个侧边上，第一六边形叶片的另一侧边与底板叶片铰接，且第二六边形叶片与底板叶片对称设置；

第二叶片单元的第一六边形叶片与第一叶片单元的五边形叶片铰接，且第二叶片单元的第一六边形叶片与第一叶片单元的第一六边形叶片对称设置；

相互铰接的两个叶片之间通过气动人工肌肉连接。

优选的，任一叶片组上还设置有顶部叶片，顶部叶片为五边形叶片，顶部叶片与第二叶片单元的第二六边形叶片铰接，且与第二叶片单元的第一六边形叶片对称设置。

优选的，所述抓捕机构闭合状态，相邻五边形叶片和六边形叶片之间的张合角为142.62°，相邻两个六边形叶片之间的张合角为138.19°。

优选的，所述相邻两个叶片之间通过合页铰接。

优选的，所述合页的铰接轴设置扭矩弹簧，扭矩弹簧用于使相邻叶片在自由状态下展开。

优选的，所述底部叶片、顶部叶片、六边形叶片和五边形叶片的结构相同，均包括框架，在框架的上下表面均覆盖一层用于缓冲空间碎片冲击力的蒙皮。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构，包括底部叶片和铰接在其边缘的多个叶片组，叶片组和底部叶片通过人工肌肉连接，在接近空间碎片过程中，不采用点接触抓捕，通过闭合抓捕机构的叶片组，使其形成一个球形包络，对空间碎片形成封闭式包络，从而完成对空间碎片的抓捕；该包络抓捕机构采用包覆式的抓捕方式，不需要对空间碎片的准确定位，提高了空间碎片的抓捕成功率，并且使用于抓捕任何形状的空间碎片，适用性广。

进一步，每个叶片组包括多个相互铰接的叶片，在抓捕过程中，人工肌肉控制多个叶片相互折叠，使其形成一个球状结构，将空间碎片包覆在球体中。

进一步，相邻两个叶片之间通过合页铰接，结构简单稳定，且制作方便。

进一步，在合页上设置扭矩弹簧，便于抓捕机构在自由状态下打开。

进一步，叶片采用框架结构，在其上下表面分别设置蒙皮，用于承受抓捕过程中空间碎片的冲击力，延长抓捕机构的使用寿命。

附图说明

图1为本发明折叠包络抓捕机构展开状态的结构示意图；

图2为本发明折叠包络抓捕机构闭合状态的结构示意图；

图3为本发明叶片组的结构示意图；

图4为本发明折叠包络抓捕机构展开到闭合的过程示意图；

图5为本发明叶片的结构示意图；

图6为本发明抓捕机构在闭合时气动人工肌肉的状态示意图；

图7为本发明抓捕机构在展开时气动人工肌肉的状态示意图；

图8为实施例2折叠包络抓捕机构的结构示意图。

图中：1、底部叶片；2、第一六边形叶片；3、五边形叶片；4、第二六边形叶片；5、框架；6、蒙皮；7、气动人工肌肉；10、第一叶片单元；20、第二叶片单元；40、顶部叶片；50、叶片组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构，包括气动人工肌肉7、叶片组50和用于与机械手连接的底部叶片1；

其中，多个叶片组50圆周均布底部叶片1的边缘，叶片组50与底部叶片1相互铰接，每个叶片组50对应设置一个气动人工肌肉7，气动人工肌肉7的两端分别与叶片组50和底部叶片1的内侧壁连接，气动人工肌肉7用于控制叶片组打开或闭合；

当抓捕空间碎片时，气动人工肌肉7控制叶片组50向空间碎片方向转动，抓捕机构闭合，多个叶片组50和底部叶片1形成空心球状结构，空间碎片包覆在球体中。

本发明提供的空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构，在接近空间碎片过程中，不采用点接触抓捕，通过闭合抓捕机构的叶片组，使其形成一个球形包络，对空间碎片形成封闭式包络，从而完成对空间碎片的抓捕；该包络抓捕机构采用包覆式的抓捕方式，不需要对空间碎片的准确定位，提高了空间碎片的抓捕成功率，并且使用于抓捕任何形状的空间碎片，适用性广。

实施例1

参阅图1和图2，一种空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构，包括五边形的底部叶片1，底部叶片1的外侧壁和机械手连接，在底部叶片1的每个边上铰接一叶片组50，底部叶片1和叶片组50通过气动人工肌肉7连接，气动人工肌肉7与充气装置连接，空间碎片抓捕时，气动人工肌肉7充气，每个叶片组50绕铰接端向空间碎片方向转动，当抓捕机构闭合，五个叶片组50和底部叶片1形成一个球状结构，将空间碎片包覆在球体中。

继续参阅图3，五个叶片组50沿底部叶片1的中心旋转设置在底部叶片1的每个边上，每个叶片组50包括两个结构相同的叶片单元，分别为第一叶片单元10和第二叶片单元20，每个叶片单元包括第一六边形叶片2、第二六边形叶片4和一个五边形叶片3；

其中，第二六边形叶片4和五边形叶片3分别铰接在第一六边形叶片2相邻的两个侧边上，五边形叶片3位于第二六边形叶片4的逆时针方向侧，第一六边形叶片2的另一侧边与底板叶片1的一侧边铰接，且第二六边形叶片4与底板叶片1对称设置；

第二叶片单元20的第一六边形叶片与第一叶片单元10的五边形叶片3铰接，且第二叶片单元20的第一六边形叶片与第一叶片单元10的第一六边形叶片2对称设置。

其中一叶片组50上还设置有顶部叶片40，顶部叶片40为五边形叶片，顶部叶片40与第二叶片单元20的第二六边形叶片铰接，且与第一六边形叶片对称设置，在五个叶片组50闭合后，顶部叶片40将五个叶片组顶部之间的空间封闭。

上述相互铰接的两个叶片之间通过合页铰接，并通过气动人工肌肉连接，在合页的铰接轴设置扭矩弹簧，扭矩弹簧可驱动相邻叶片在自由状态下完全展开，即在抓捕空间碎片前，抓捕机构在扭矩弹簧的作用力下处于展开状态，抓捕时，气动人工肌肉充气，叶片之间相互闭合。

参阅图5，五边形叶片和六边形叶片的结构相同，包括框架5，在框架5的上下表面均覆盖一层蒙皮6，空间碎片在抓捕过程中会与抓捕机构发生碰撞，叶片表面的蒙皮6可对空间碎片产生冲击减缓作用，减小空间碎片的冲击力。

参阅图6和图7，气动人工肌肉7的两端分别连接在相邻两个叶片的内壁上，气动人工肌肉充气，给叶片传输力矩，使叶片旋转至闭合状态，进而使所有的叶片组合成球形结构。

五边形叶片和六边形叶片之间的张合角为142.62°，两个正六边形叶片之间的张合角为138.19°。

图6为抓捕机构在闭合状态下，相邻两个叶片和气动人工肌肉的状态图；图7为抓捕机构在完成展开状态下，相邻两个叶片和气动人工肌肉的状态图。

气动人工肌肉7由多个单元式气袋串联组成，单元式气袋由无弹性高气密性材料制成，在通过充气装置冲入气体后对叶片产生力矩并改变气袋形状，缩小气袋直线长度，并且力矩大小由气袋内气压决定。通过控制气袋内气压从而控制驱动力矩，最终达到对叶片张合角的控制。气动人工肌肉7的优点是控制张合角变化范围大，并占空间小，采用气动人工肌肉进行驱动，结构和控制方法简单，提高了抓捕的可靠性和安全性。

本发明的一种空间碎片的被动式折叠包络抓捕机构，抓捕机构通过机械臂与抓捕航天器相连接，抓捕机构包括12个正五边形叶片和20个正六边形叶片组成，在抓捕空间碎片的过程中，通过控制气动人工肌肉7对叶片施加力矩，从而控制叶片张合角，使叶片闭合成设定形状，完成抓捕。在抓捕空间碎片的过程中会与抓捕机构发生碰撞，碰撞由叶片表面蒙皮进行缓冲。

参阅图4，本发明的抓捕结构特别适用于直径为1-10cm空间碎片，在抓捕初始阶段，叶片组完成展开，形成以平面结构，机械臂将抓捕机构运送到合适的位置，在抓捕过程中，通过对每一个气动人工肌肉进行充气或放气实现对叶片角度的控制，气动人工肌肉7工作，首先使靠近底部叶片的叶片相互闭合，使抓捕机构形成半球形包络，在完成对空间碎片的被动式接收以后，空间碎片位于半球中，当所有的叶片完成闭合后，整个抓捕机构型成封闭类球体，对空间碎片形成封闭包络，使空间碎片无法逃逸，从而完成抓捕任务。

该抓捕机构的叶片通过气动人工肌肉控制叶片之间张合角大小，从而形成半包络空间对空间碎片进行被动式包络抓捕，随后形成封闭的包络空间防止空间碎片逃逸。叶片机构采用模块化设计，方便进行替换，可重复利用性高，质量轻，结构简单，成本低。气动人工肌肉可在有效控制叶片张合角的同时，简化控制方法，提高任务的可靠性和安全性。

实施例2

本实施例与实施例1的结构和原理基本相同，不同之处在于叶片组的结构，叶片组的具体结构如下。

参阅图8，在底部叶片1的边缘圆周局部六个叶片组，叶片组与底部叶片1铰接，该叶片组为整体结构，叶片组为梭形结构，叶片组的横向截面和纵向截面均为外凸的圆弧结构。

在抓捕过程中，叶片组在气动人工肌肉的控制下，向空间碎片方向转动，当抓捕机构闭合，六个叶片组形成球形结构。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。