本發(fā)明涉及一種集捕獲、鎖緊及驅(qū)動(dòng)輸出、供電一體化多功能末端，屬于工業(yè)技術(shù)、空間機(jī)器人領(lǐng)域，可用于衛(wèi)星等空間目標(biāo)的抓捕、鎖緊及在軌維修、延壽等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的捕獲固連、維修操作與接管控制，提高空間機(jī)器人對(duì)空間目標(biāo)的在軌操控能力，適應(yīng)空間資產(chǎn)維護(hù)服務(wù)的需求。

背景技術(shù)：

1、隨著空間探測(cè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，航天器發(fā)射數(shù)量與日俱增。由于空間碎片撞擊、太陽(yáng)帆失效、燃料耗盡等故障情況導(dǎo)致航天器性能下降、失控甚至報(bào)廢的案例日益增多，造成大量空間軌道資源占用、空間資產(chǎn)損失并對(duì)其余航天器的正常運(yùn)行存在持續(xù)的潛在威脅。若通過(guò)在軌服務(wù)技術(shù)，對(duì)故障航天器實(shí)現(xiàn)捕獲、接管控制并成功維修，可較大程度解決上述問(wèn)題。

2、對(duì)在軌目標(biāo)實(shí)現(xiàn)接管控制和在軌維護(hù)，應(yīng)首先實(shí)現(xiàn)對(duì)其的準(zhǔn)確捕獲及可靠鎖緊。在軌目標(biāo)均處于漂浮態(tài)，一般還存在晃動(dòng)及不規(guī)則旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，殘存線速度及角速度對(duì)于捕獲容差、定位策略及鎖緊剛度均提出較高要求。此外，由于在軌操作與維護(hù)任務(wù)的多樣性，對(duì)末端維修工具的可更換擴(kuò)展能力提出也新的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：基于上述需求，設(shè)計(jì)了一種集捕獲、鎖緊及驅(qū)動(dòng)輸出、供電一體化多功能末端，可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間漂浮目標(biāo)的精確捕獲定位及高剛度鎖緊，同時(shí)通過(guò)配置動(dòng)力輸出和電輸出接口，具備實(shí)現(xiàn)多類(lèi)型維修工具的擴(kuò)展能力。

2、本發(fā)明解決技術(shù)的方案是：一種集捕獲、鎖緊及驅(qū)動(dòng)輸出、供電一體化多功能末端，包括：捕獲鎖緊模塊、驅(qū)動(dòng)輸出模塊以及定位模塊；

3、所述捕獲鎖緊模塊、驅(qū)動(dòng)輸出模塊均采用輸入輸出為平行軸系的結(jié)構(gòu)，捕獲鎖緊模塊將電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)換為平動(dòng)的輸出，帶動(dòng)末端的手爪實(shí)現(xiàn)對(duì)待捕獲目標(biāo)的粗定位以及整個(gè)捕獲過(guò)程對(duì)待捕獲目標(biāo)的回拉；

4、所述定位模塊用于在手爪粗定位捕獲之后，實(shí)現(xiàn)對(duì)待捕獲目標(biāo)的中定位和精定位，并在捕獲到位時(shí)與所述捕獲鎖緊模塊一起提供對(duì)捕獲目標(biāo)的鎖緊力；

5、所述驅(qū)動(dòng)輸出模塊用于在捕獲到位后根據(jù)需求提供對(duì)外電、轉(zhuǎn)速及力矩的輸出。

6、優(yōu)選的，所述捕獲鎖緊模塊包括外殼、捕獲鎖緊電機(jī)、捕獲小齒輪、捕獲大齒輪、滾珠絲杠、絲母、手爪安裝基座、手爪、根部銷(xiāo)軸、軌道銷(xiāo)軸；

7、滾珠絲杠通過(guò)兩側(cè)的絲杠角接觸球軸承、絲杠深溝球軸承在外殼內(nèi)形成支撐軸系，捕獲鎖緊電機(jī)固連在外殼內(nèi)部且輸出軸與捕獲小齒輪固連，捕獲小齒輪與捕獲大齒輪嚙合，捕獲鎖緊電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與力矩并通過(guò)捕獲小齒輪、捕獲大齒輪傳遞至滾珠絲杠，捕獲鎖緊電機(jī)的軸線與所述的支撐軸系平行；手爪為多個(gè)且中心對(duì)稱(chēng)布置，其根部通過(guò)根部銷(xiāo)軸安裝在手爪安裝基座上，所述的手爪安裝基座與絲母固連，絲母安裝在所述滾珠絲杠上；所述手爪上加工中空導(dǎo)向槽，在安裝在外殼上的軌道銷(xiāo)軸、根部銷(xiāo)軸的作用下實(shí)現(xiàn)張開(kāi)及收攏、回拉動(dòng)作。

8、優(yōu)選的，所述手爪的數(shù)量與外形根據(jù)待捕獲目標(biāo)的捕獲位置的形狀確定，通過(guò)手爪賦形實(shí)現(xiàn)捕獲過(guò)程除軸向運(yùn)動(dòng)之外的5個(gè)相對(duì)自由度的粗約束。

9、優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)輸出模塊包括驅(qū)動(dòng)輸出電機(jī)、浮動(dòng)電連接器座、驅(qū)動(dòng)小齒輪、驅(qū)動(dòng)大齒輪、驅(qū)動(dòng)軸角接觸球軸承、驅(qū)動(dòng)輸出軸、驅(qū)動(dòng)工具、驅(qū)動(dòng)齒輪箱、對(duì)接面板、浮動(dòng)電連接器頭、轉(zhuǎn)接單元；

10、驅(qū)動(dòng)輸出電機(jī)的輸出軸安裝在外殼側(cè)壁的端蓋上并與驅(qū)動(dòng)小齒輪固連，驅(qū)動(dòng)輸出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與力矩通過(guò)驅(qū)動(dòng)小齒輪、驅(qū)動(dòng)大齒輪傳遞至驅(qū)動(dòng)輸出軸，驅(qū)動(dòng)輸出軸由驅(qū)動(dòng)軸角接觸球軸承在驅(qū)動(dòng)齒輪箱內(nèi)形成支撐軸系，且與驅(qū)動(dòng)工具固連，所述驅(qū)動(dòng)工具在捕獲完成后與安裝在被捕獲目標(biāo)上的轉(zhuǎn)接單元連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的轉(zhuǎn)速及力矩的輸出；所述驅(qū)動(dòng)輸出電機(jī)的輸出軸與支撐軸系平行；所述驅(qū)動(dòng)齒輪箱一端與端蓋連接，另一端安裝對(duì)接面板，浮動(dòng)電連接器座安裝在端蓋上，用于與安裝在被捕獲目標(biāo)上的浮動(dòng)電連接器頭配合實(shí)現(xiàn)對(duì)外電輸出。

11、優(yōu)選的，所述的轉(zhuǎn)接單元包括轉(zhuǎn)接工具、動(dòng)力軸角接觸球軸承、復(fù)位彈簧、動(dòng)力軸、定位銷(xiāo)釘；

12、所述動(dòng)力軸為帶中心腔體的軸體，通過(guò)動(dòng)力軸角接觸球軸承安裝在被捕獲目標(biāo)端，復(fù)位彈簧放置在所述中心腔體底部，轉(zhuǎn)接工具放置在所述的中心腔體上，通過(guò)定位銷(xiāo)釘與動(dòng)力軸實(shí)現(xiàn)一體安裝，所述轉(zhuǎn)接工具置于中心腔體外部的一端形狀與驅(qū)動(dòng)工具上形狀適配，另一端預(yù)留配合止口及機(jī)械扁口；所述復(fù)位彈簧用于為轉(zhuǎn)接工具與驅(qū)動(dòng)工具的插入配合提供推力

13、優(yōu)選的，定位軸與動(dòng)力軸角接觸球軸承形成軸系支撐，該軸系支撐與驅(qū)動(dòng)齒輪箱內(nèi)形成的支撐軸系在同一條軸線上。

14、優(yōu)選的，驅(qū)動(dòng)工具的鍵槽與轉(zhuǎn)接工具的花鍵完成連接。

15、優(yōu)選的，所述定位模塊包括定位銷(xiāo)、主動(dòng)端弧形齒、碟簧組件、到位開(kāi)關(guān)、目標(biāo)適配器、被動(dòng)端弧形齒；

16、所述適配器基座用于安裝于被捕獲目標(biāo)固連的目標(biāo)適配器；適配器基座用于與手爪配合實(shí)現(xiàn)捕獲過(guò)程中的粗定位；適配器基座上設(shè)置銷(xiāo)孔，用于與安裝在端蓋上的定位銷(xiāo)配合實(shí)現(xiàn)中定位；被動(dòng)端弧形齒安裝在適配器基座上，用于與安裝在對(duì)接面板上的主動(dòng)端弧形齒嚙合，實(shí)現(xiàn)捕獲過(guò)程的精定位；碟簧組件、到位開(kāi)關(guān)均安裝在對(duì)接面板上，所述碟簧組件用于在捕獲過(guò)程中與適配器基座接觸且壓并，由到位開(kāi)關(guān)給出導(dǎo)通信號(hào)，作為捕獲鎖緊到位的判據(jù)。

17、優(yōu)選的，到位開(kāi)關(guān)給出導(dǎo)通信號(hào)的同時(shí)捕獲鎖緊電機(jī)達(dá)到限流值，兩者配合共同作為捕獲鎖緊到位的判據(jù)，捕獲鎖緊電機(jī)斷電制動(dòng)，與碟簧組件共同實(shí)現(xiàn)目標(biāo)鎖緊力的持續(xù)施加。

18、一種利用所述一體化多功能末端實(shí)現(xiàn)的捕獲方法，包括：

19、控制捕獲鎖緊電機(jī)工作，帶動(dòng)手爪安裝基座沿軸線前向移動(dòng)，手爪沿著導(dǎo)向槽在軌道銷(xiāo)軸、根部銷(xiāo)軸的作用下實(shí)現(xiàn)張開(kāi)動(dòng)作，對(duì)適配器基座實(shí)現(xiàn)捕獲包絡(luò)；

20、控制捕獲鎖緊電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)手爪逐步收攏、回拉，完成對(duì)目標(biāo)的粗定位；手爪繼續(xù)回拉，定位銷(xiāo)進(jìn)入適配器基座的銷(xiāo)孔實(shí)現(xiàn)中定位、主動(dòng)端弧形齒與被動(dòng)端弧形齒嚙合，實(shí)現(xiàn)捕獲過(guò)程的精定位，同時(shí)，適配器基座與碟簧組件接觸且壓并，過(guò)程中到位開(kāi)關(guān)給出導(dǎo)通信號(hào)，同時(shí)捕獲鎖緊電機(jī)達(dá)到限流值，兩者配合共同提供捕獲鎖緊到位的判據(jù)；

21、滿足捕獲鎖緊到位判據(jù)后，捕獲鎖緊電機(jī)斷電制動(dòng)，與碟簧組件共同實(shí)現(xiàn)目標(biāo)鎖緊力的持續(xù)施加，目標(biāo)捕獲完成。

22、優(yōu)選的，需要對(duì)外提供驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)輸出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，復(fù)位彈簧在驅(qū)動(dòng)輸出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中彈起轉(zhuǎn)接工具并使其與驅(qū)動(dòng)工具完成插入配合，驅(qū)動(dòng)輸出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與力矩傳遞至動(dòng)力軸。

23、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

24、一種具有捕獲、鎖緊及驅(qū)動(dòng)、供電輸出功能的高集成一體化末端，其主要包括捕獲鎖緊模塊、驅(qū)動(dòng)輸出模塊以及定位模塊三部分。通過(guò)捕獲鎖緊模塊，實(shí)現(xiàn)手爪的張開(kāi)和收攏動(dòng)作，結(jié)合定位模塊對(duì)目標(biāo)適配器實(shí)現(xiàn)包絡(luò)、定位及可靠鎖緊，通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸出模塊，聯(lián)合目標(biāo)適配器軸系實(shí)現(xiàn)對(duì)外的動(dòng)力輸出和電輸出，具有捕獲容差大、定位精度高、工具拓展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

25、本發(fā)明采用平行驅(qū)動(dòng)軸系布局，將捕獲鎖緊和驅(qū)動(dòng)輸出軸系同時(shí)布置于殼體內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高，實(shí)現(xiàn)了末端多功能、小型化設(shè)計(jì)；

26、本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)適配器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)在軌漂浮目標(biāo)的大容差、高精度捕獲接管，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械及電輸出接口，可適配多類(lèi)型操作工具，通過(guò)末端主動(dòng)輸出電、力矩實(shí)現(xiàn)操作工具的在軌操作；

27、本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)賦形、銷(xiāo)孔配合及弧形齒嚙合實(shí)現(xiàn)由粗至精的定位策略，對(duì)漂浮目標(biāo)的自由度逐級(jí)約束，降低了目標(biāo)捕獲定位難度，提高了目標(biāo)在軌捕獲成功率；

28、本發(fā)明采用端部冗余到位開(kāi)關(guān)與電機(jī)限流的方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的位置判斷及鎖緊力施加判斷，結(jié)合電機(jī)斷電制動(dòng)及柔性碟簧組件，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)鎖緊力的持續(xù)施加和斷電保持；

29、本發(fā)明通過(guò)驅(qū)動(dòng)傳輸軸系間的花鍵與鍵槽設(shè)計(jì)，結(jié)合復(fù)位彈簧的自適應(yīng)設(shè)計(jì)，校正驅(qū)動(dòng)傳輸軸系在圓周方向?qū)?zhǔn)誤差，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出的盲對(duì)接操作，大大降低對(duì)準(zhǔn)精度要求。