一种用于空间环境的宽速域主动调控黏附抓取装置的制作方法

本发明属于工业自动化操控领域，具体涉及一种用于空间环境的宽速域主动调控黏附抓取装置。

背景技术：

1、近年来，随着人类航天活动的日趋频繁，失效或故障的航天器数量大大增加，亟需对此类非合作目标执行捕获和维修任务。与地面环境的目标操控抓取任务不同，空间环境中的非合作目标和抓取装置都始终处于失重悬浮状态，且非合作目标的质量、质心等特性通常处于未知状态，也难以测量，那么，抓取装置和非合作目标发生接触碰撞后，很容易发生反弹，导致抓取失败。黏附抓取被认为是一种有效的目标捕获方式，但存在接触相对速度和接触角度的适应范围比较小的问题，亟需开发一种具有主动调控功能的空间非合作目标黏附抓取装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种适用空间环境中非合作目标的黏附抓取装置，通过采取相应的感知-控制策略，调控不同位置附加质量和吸附单元的弹射状态以及弹簧阻尼系统特性，快速改变系统动力学状态，在太空失重环境中，实现在较宽速度范围内对非合作目标的有效黏附抓取。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种适用太空非合作目标的主动调控黏附抓取装置，其包含主结构，固定在主结构上的主结构侧方电磁弹射模块、主结构后端电磁弹射模块、主结构前端弹射-缓冲模块，以及与所述主结构前端弹射-缓冲模块连接的吸附单元；

3、所述主结构侧方电磁弹射模块，安装在主结构的侧方，用于改变吸附前后主结构的前进速度和与吸附目标的相对位置角度；

4、所述主结构后端电磁弹射模块，安装在主结构的后端，用于调整主结构的前进速度；

5、所述主结构前端弹射-缓冲模块，安装在主结构的前端，用于改变吸附单元的速度和系统刚度阻尼特性；

6、所述吸附单元，用于实现对非合作目标的接触黏附。

7、可选地，所述主结构侧方电磁弹射模块、主结构后端电磁弹射模块，各自包含与主结构连接的框架，和依次设置在所述框架内的基座、弹射弹簧、驱动块、质量块；其中，所述质量块有一端伸出到框架的开口之外；未启动时，所述弹射弹簧处于压缩状态；

8、所述主结构侧方电磁弹射模块、主结构后端电磁弹射模块还各自包含：

9、限位组块，进一步包含依次排布的多组滑动块和一组固定块，以及与所述多组滑动块一一对应的多组电磁线圈，用于为驱动块提供多档不同行程的限位；所述固定块位于最靠近框架开口的一侧，所述驱动块的凸起可被与其最接近的一组未回拉的滑动块或所述固定块卡住；在启动时，通过对限位组块中的至少部分电磁线圈通电来产生电磁力，回拉与之对应的至少部分滑动块，使弹射弹簧推动驱动块向框架开口一侧运动，进而推动质量块；

10、绕块线圈，套设在质量块外部，用于在通入电流时产生电磁力作用于质量块，以增加质量块的速度；所述质量块在驱动块推动和绕块线圈的电磁力作用下，从框架的开口弹射出去，以改变主结构的速度。

11、其中，所述质量块受到驱动块推动和电磁力作用后，会以一定速度弹射出去，由动量守恒定律，主结构速度将发生相应变化。不同电流驱动不同滑动块缩回，导致驱动块行程不同，行程越长，传递给质量块的动量越大，质量块弹射速度就越大。所述电磁线圈对质量块速度的调节效果是离散的，弹簧压缩力较大，对结构提供较大的离散驱动力。绕块线圈对质量块速度的改变是连续的，对主结构速度实现精细连续调整。

12、可选地，所述主结构前端弹射-缓冲模块包含：与主结构连接的前端框架，和依次设置在所述前端框架内的前端基座、前端弹射弹簧、前端驱动块、前端支撑杆；

13、其中，所述前端支撑杆的前部伸出到前框框架的开口之外，并通过前端转动球头来连接所述吸附单元；未启动时，所述前端弹射弹簧处于压缩状态；

14、所述主结构前端弹射-缓冲模块还包含：

15、前端限位组块，进一步包含依次排布的多组前端滑动块，以及与所述多组前端滑动块一一对应的多组前端电磁线圈，用于为前端驱动块提供多档不同行程的限位；前端驱动块的凸起可被与其最接近的一组未回拉的前端滑动块卡住；在启动时，通过对前端限位组块中的至少部分电磁线圈通电来产生电磁力，回拉与之对应的至少部分前端滑动块，使前端弹射弹簧推动前端驱动块向前端框架开口一侧运动，进而推动前端支撑杆和吸附单元；

16、前端绕块线圈，套设在前端支撑杆外部，用于在通入电流时产生电磁力作用于前端支撑杆，以增加前端支撑杆和吸附单元的速度；所述前端支撑杆在前端驱动块推动和前端绕块线圈的电磁力作用下，从前端框架的开口弹射出去，并推动吸附单元向前运动。

17、其中，所述前端支撑杆受到前端驱动块推动和前端绕块线圈的电磁力作用后，会带动吸附单元以一定速度弹射出去。不同电流驱动不同的前端滑动块缩回，导致前端驱动块行程不同，行程越长，传递给前端支撑杆的动量越大，前端支撑杆弹射速度就越大。所述前端电磁线圈对前端支撑杆和吸附单元速度的调节效果是离散的，前端弹簧压缩力较大，对结构提供较大的离散驱动力。前端绕块线圈对前端支撑杆和吸附单元速度的改变是连续的，可实现精细连续调整。

18、可选地，所述主结构前端弹射-缓冲模块还包含：

19、前端滑槽，位于前端框架的开口内侧，用于约束前端支撑杆的运动方向；所述前端支撑杆的前部可从所述前端滑槽中穿过，所述前端支撑杆的后部及前端绕块线圈被所述前端滑槽阻挡；

20、所述主结构前端弹射-缓冲模块还可选地包含一组固定块，其与多组前端滑动块依次排布，且所述固定块位于最靠近前端框架开口的一侧；所述前端固定块、或未回拉且最接近前端驱动块的任意一组前端滑动块，能卡在前端驱动块的凸起上，用于对前端驱动块进行限位。

21、可选地，所述主结构前端弹射-缓冲模块还包含：

22、前端主动变刚度阻尼器，连接在所述吸附单元和前端框架的外侧面之间，由磁流变阻尼材料和外壳结构构成，通过施加电流实现刚度与阻尼系数的主动控制；

23、可自由拉长的前端单向滑杆，连接在所述前端主动变刚度阻尼器与吸附单元之间，用于避免弹射出去的吸附单元被前端主动变刚度阻尼器拉回。

24、可选地，所述吸附单元的外表面设有用高聚物制作成的阵列式微柱体。

25、可选地，所述主结构内部设置的神经网络决策模块，基于神经网络的计算处理，来生成用于控制主结构侧方电磁弹射模块、主结构后端电磁弹射模块的控制策略；

26、所述神经网络对绕块线圈和m组电磁线圈，分别产生连续和离散的控制信号；所述控制信号共两组，一组用于控制m组电磁线圈的电流，另一组用于控制绕块线圈的电流；

27、其中，针对电磁线圈输出的控制信号i包含：

28、i＝0时，代表不回拉电磁线圈，不释放驱动块；

29、i取0～m之间的任意数字时，代表回拉第1组到第i组电磁线圈；

30、i＝m时，代表回拉m组电磁线圈；第m组电磁线圈离基座最远；控制信号i＝m时，驱动块传递给质量块的动量达到最大。

31、可选地，所述主结构内部设置的神经网络决策模块，基于神经网络的计算处理，来生成用于主结构前端弹射-缓冲模块及其前端主动变刚度阻尼器的控制策略；

32、其中，所述神经网络对前端绕块线圈和n组前端电磁线圈分别产生连续和离散的控制信号，对前端主动变刚度阻尼器产生连续控制信号；

33、控制信号共三组，其中一组用于控制前端电磁线圈的电流，另一组用于控制前端绕块线圈的电流，还有一组用于调节前端主动变刚度阻尼器的刚度和阻尼系数；

34、其中，针对前端电磁线圈输出的控制信号j包含：

35、j＝0时，代表不回拉前端电磁线圈，不释放前端驱动块；

36、j取0～n之间的任意数字时，代表回拉第1组到第j组前端电磁线圈；

37、j＝n时，代表回拉n组前端电磁线圈；第n组前端电磁线圈离前端基座最远；控制信号j＝n时，前端驱动块传递给前端支撑杆的动量达到最大。

38、可选地，所述主结构内部设置的控制输出模块，输入为神经网络提供的控制信号，输出为主结构侧方电磁弹射模块、主结构后端电磁弹射模块、主结构前端弹射-缓冲模块及其前端主动变刚度阻尼器所需的电流、电压。

39、可选地，所述宽速域主动调控黏附抓取装置，还包含：

40、激光测量模块，固定在主结构上，用于测量主结构与吸附目标之间的距离变化和相对角度变化；所述激光测量模块包含两个激光传感器，分别安装在主结构的两侧，且激光测量方向平行向前，分别照射到吸附目标上；

41、数据采集模块，安装在主结构的内部，用于对激光测量实时信号、加速度信号、角速度信号进行数据采集；

42、惯性测量模块，安装在主结构的内部，用于测量主结构的角速度变化情况。

43、技术效果

44、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的黏附抓取装置，能够适应更宽速度和角度范围，在出现与目标对象相对速度、角度超出黏附要求阈值时，能够通过弹射方法主动改变主结构以及黏附单元的速度和角度，以满足黏附条件，具有主动调控、响应快、适应性强等特点。