一种基于陀螺结构的空间软对接装置的制作方法

本发明涉及空间机器人工程研究领域，具体是一种基于陀螺结构的空间软对接装置。

背景技术：

目标捕获是空间在轨服务的重要组成部分，然而捕获时的对接碰撞极易引起抓捕机构失稳。实现空间在轨目标捕获时的对接软接触，对于实现空间在轨捕获任务具有重要意义。

目前，国际上基于对接机构的空间软捕获技术的研究已经有大量的实践，主要有锥—杆式对接系统、飞网技术、电磁对接等。以上对接机构特点是主要以柔性绳索为主要执行元件或通过在末端执行器设计相关机构捕获子系统；约束条件上要求两航天器之间相对位姿测量、跟踪、保持等方面满足高精度要求，对空间接触的瞬间位姿扰动要求也极高。因此，研制新型可靠的空间软对接装置依然是当前空间在轨服务的关键技术之一。

技术实现要素：

本发明设计了一种基于陀螺结构的空间软对接装置，包含陀螺结构组件与滑动结构组件，其中陀螺结构组件包括陀螺机构、旋转柔性部件和编码器等，滑动结构组件包括滑动机构、直线柔性部件和直线位移传感器等。

本发明提供的空间软对接装置通过陀螺结构组件和滑动结构组件传递、缓冲和镇定空间对接碰撞冲量，具体过程为：空间六维碰撞冲量首先经陀螺机构和滑动机构传递，然后由扭簧机构和弹簧机构得到缓冲，最后通过编码器和直线位移传感器规划磁流变阻尼器的阻尼输出实现空间软对接装置内部振动的镇定，从而实现空间在轨捕获的软对接操作。

所述空间对接装置的陀螺结构组件的陀螺机构包含陀螺外框、陀螺中框、陀螺内框、转子外连框和旋转轴等，具体内容如下：陀螺外框由外框连接板一(1)、外框连接板二(3)、外框连接板三(47)和外框支撑(2)组成，陀螺中框由中框连接板一(6)、中框连接板二(11)、中框连接板三(39)和中框连接板四(41)组成，陀螺内框由内框连接板一(4)、内框连接板二(5)、内框连接板三(15)和内框连接板四(37)组成，转子外连框由外连框连接板一(17)、外连框连接板二(18)、外连框连接板三(34)和外连框连接板四(36)组成，旋转轴包含旋转轴x、旋转轴y和旋转轴z，其中旋转轴x由旋转轴x一(42)和旋转轴x二(59)组成，旋转轴y由旋转轴y一(9)和旋转轴y二(61)组成，旋转轴z由旋转轴z一(63)和旋转轴z二(64)组成。

所述空间对接装置的陀螺结构组件的陀螺机构的各陀螺框架间通过旋转轴连接，可实现空间三维旋转，旋转轴则通过紧固件安装于陀螺中框、陀螺内框和转子外连框上，具体安装方式如下：旋转轴x一(42)通过x轴端紧固件一(60)与中框连接板四(41)固连，并通过轴承与外框连接板三(47)连接，旋转轴x二(59)通过x轴端紧固件二(53)与中框连接板二(11)固连，并通过轴承与外框连接板二(3)连接；旋转轴y一(9)通过y轴端紧固件一(52)与内框连接板二(5)固连，并通过轴承与中框连接板一(6)连接，旋转轴y二(61)通过y轴端紧固件二(57)与内框连接板四(37)固连，并通过轴承与中框连接板三(39)连接；旋转轴z一(63)通过联轴器(46)与旋转轴z二(64)固连，并通过轴承与内框连接板一(4)连接，旋转轴z二(63)通过轴承与内框连接板三(15)连接，其延伸段通过离合器z(16)与外连框连接板四(36)固连。

所述空间对接装置的陀螺结构组件的旋转柔性部件由旋转式磁流变阻尼器、离合器和扭簧机构组成，具体内容如下：旋转式磁流变阻尼器包含旋转式磁流变阻尼器x(54)、旋转式磁流变阻尼器y(38)和旋转式磁流变阻尼器z(48)，离合器包含离合器x(58)、离合器y(51)和离合器z(16)，扭簧机构包含扭簧机构x、扭簧机构y和扭簧机构z，其中扭簧机构x由旋转轴x一(42)、扭簧座x(45)、扭簧x(44)和扭簧紧固件x(43)组成，扭簧机构y由旋转轴y一(9)、扭簧座y(7)、扭簧y(8)和扭簧紧固件y(10)组成，扭簧机构z由旋转轴z二(63)、扭簧座z(62)、扭簧z(14)和扭簧紧固件z(13)组成。

所述空间对接装置的陀螺结构组件的旋转柔性部件安装于陀螺机构的旋转轴上，具体安装方式如下：旋转式磁流变阻尼器x(54)安装于陀螺外框与陀螺中框之间，其连接端与外框连接板二(3)固连，旋转式磁流变阻尼器y(38)安装于陀螺中框与陀螺内框之间，其连接端与中框连接板三(39)固连，旋转式磁流变阻尼器z(48)安装于陀螺内框内部，其连接端与内框连接板一(4)固连；离合器x(58)安装于陀螺外框与陀螺中框之间，其连接端与外框连接板三(47)固连，通过离合切换控制陀螺外框与陀螺中框的柔性，离合器y(51)安装于陀螺中框与陀螺内框之间，其连接端与中框连接板一(6)固连，通过离合切换控制陀螺中框与陀螺内框的柔性，离合器z(16)安装于陀螺内框与转子外连框之间，其连接端与内框连接板三(15)固连，通过离合切换控制陀螺内框与转子外连框的柔性；扭簧机构x安装于外框连接板三(47)外侧，扭簧机构y安装于中框连接板一(6)外侧，扭簧机构z安装于内框连接板三(15)内侧。

所述空间对接装置的陀螺结构组件的编码器包含编码器x(12)、编码器y(40)和编码器z(50)，可检测陀螺机构旋转轴x、旋转轴y和旋转轴z的旋转位移，且均安装于陀螺机构的旋转轴上，具体安装方式如下：编码器x(12)内安装于旋转轴x二(59)上，并通过编码器x套筒(55)与外框连接板二(4)固连，编码器y(40)内安装于旋转轴y二(61)上，并通过编码器y套筒(56)与中框连接板二(39)固连，编码器z(50)内安装于旋转轴z一(64)上，并通过编码器z套筒(49)与内框连接板一(4)固连。

所述空间对接装置的滑动结构组件的滑动机构包含滑动外框、滑动内框、滑块和滑轨等，具体内容如下：滑动外框由滑动外框连接板一(19)、滑动外框连接板二(21)和滑动外框连接板三(33)组成，滑动内框由滑动内框连接板一(27)和滑动内框连接板二(30)组成，滑块包含滑块一(65)和滑块二(68)，滑轨包含滑轨一(23)和滑轨二(31)。

所述空间对接装置的滑动结构组件的滑动机构可直接实现空间z向直线碰撞冲量的传递，其连接方式如下：滑块一(65)与滑动外框连接板三(33)固连，滑块二(68)与滑动外框连接板二(21)固连，滑轨一(23)与滑动内框连接板一(27)固连，滑轨二(31)与滑动内框连接板二(30)固连，且滑块一(65)与滑块二(68)、滑轨一(23)与滑轨二(31)均呈对称式分布；滑动外框连接板一(19)与转子外连框连接板二(18)固连，实现了空间对接装置的一体化。

所述空间对接装置的滑动结构组件的直线柔性部件包含直线式磁流变阻尼器(22)和弹簧机构，弹簧机构由弹簧紧固件(24)、弹簧(25)、弹簧座(26)组成。

所述空间对接装置的滑动结构组件的直线柔性部件可实现空间z向直线碰撞冲量的缓冲和镇定，连接方式如下：直线式磁流变阻尼器(22)固定于阻尼座(69)上，阻尼座通过阻尼座支撑一(66)、阻尼座支撑二(67)、阻尼座连接件一(28)和阻尼器连接件二(29)与滑动内框固连，弹簧紧固件(24)与直线式磁流变阻尼器(22)外伸轴固连，弹簧座(26)安装在阻尼座(69)上。

所述空间对接装置的滑动结构组件的直线位移传感器(32)用于检测滑块与滑轨间相对位移，其连接方式为：直线位移传感器(32)安装在滑动外框连接板三(33)上。

与现有技术相比本发明有以下特点：

本发明设计了一种用于空间对接装置的陀螺机构，将空间对接装置放置于空间笛卡尔坐标系中，陀螺机构的俯仰和偏航两个方向分别作为x和y轴，转子外连框相对于陀螺内框的旋转可实现空间对接装置对空间z向碰撞角冲量的传递，陀螺内框相对于陀螺中框的旋转可实现空间对接装置对空间y向碰撞角冲量和空间x向碰撞直线冲量的传递，陀螺中框相对于陀螺外框的旋转可实现空间对接装置对空间x向碰撞角冲量和空间y向碰撞直线冲量的传递。

本发明中采用了阻尼系数可控的磁流变阻尼器作为实现空间六维碰撞冲量的缓冲与镇定的关键部件。将空间对接装置放置于空间笛卡尔坐标系中，陀螺机构的俯仰和偏航两个方向分别作为x和y轴，空间三维对接碰撞角冲量和x、y向直线冲量经陀螺机构的传递和扭簧机构的缓冲后，通过规划旋转式磁流变阻尼器x(54)、旋转式磁流变阻尼器y(38)和旋转式磁流变阻尼器z(48)的阻尼输出可实现陀螺结构组件的镇定；空间z向直线碰撞冲量经滑动机构的传递和弹簧机构的缓冲后，通过规划直线式磁流变阻尼器(22)的阻尼输出可实现滑动结构组件的镇定，因此该空间对接装置可实现空间在轨对接的六维碰撞冲量的传递、缓冲与镇定。

附图说明

图1为本发明的整体外观结构图；

图2为本发明的陀螺结构组件整体外观图；

图3～图5为本发明的陀螺结构组件实施方式的局部外观图；

图6为本发明的滑动结构组件实施方式的整体外观图。

附图中的标号说明如下：

外框连接板一(1)、外框支撑(2)、外框连接板二(3)、内框连接板一(4)、内框连接板二(5)、中框连接板一(6)、扭簧座y(7)、扭簧y(8)、旋转轴y一(9)、扭簧紧固件y(10)、中框连接板二(11)、编码器x(12)、扭簧紧固件z(13)、扭簧z(14)、内框连接板三(15)、离合器z(16)、外连框连接板一(17)、外连框连接板二(18)、滑动外框连接板一(19)、轴端紧固件(20)、滑动外框连接板二(21)、直线式磁流变阻尼器(22)、滑轨一(23)、弹簧紧固件(24)、弹簧(25)、弹簧座(26)、滑动内框连接板一(27)、阻尼座连接件一(28)、阻尼座连接件二(29)、滑动内框连接板二(30)、滑轨二(31)、直线式传感器(32)、滑动外框连接板一(33)、外连框连接板三(34)、z轴端紧固件(35)、外连框连接板四(36)、内框连接板四(37)、旋转式磁流变阻尼器y(38)、中框连接板三(39)、编码器y(40)、中框连接板四(41)、旋转轴x一(42)、扭簧紧固件x(43)、扭簧x(44)、扭簧座x(45)、联轴器(46)、外框连接板三(47)、旋转式磁流变阻尼器y(48)、编码器z套筒(49)、编码器z(50)、离合器y(51)、y轴端紧固件一(52)、x轴端紧固件二(53)、旋转式磁流变阻尼器x(54)、编码器x套筒(55)、编码器y套筒(56)、y轴端紧固件二(57)、离合器x(58)、旋转轴x二(59)、x轴端紧固件一(60)、旋转轴y二(61)、扭簧座z(62)、旋转轴z一(63)、旋转轴z二(64)、滑块一(65)、阻尼座支撑一(66)、阻尼座支撑二(67)、滑块二(68)和阻尼座(69)。

具体实施方案

下面结合附图1～6对本发明做进一步说明：

本发明包含陀螺结构组件与滑动结构组件。

所述空间对接装置的陀螺结构组件包括陀螺机构、旋转柔性部件和编码器等，具体实施方式如下：陀螺机构包含陀螺外框、陀螺中框、陀螺内框、转子外连框和旋转轴等，其中陀螺外框由外框连接板一(1)、外框连接板二(3)、外框连接板三(47)和外框支撑(2)组成，陀螺中框由中框连接板一(6)、中框连接板二(11)、中框连接板三(39)和中框连接板四(41)组成，陀螺内框由内框连接板一(4)、内框连接板二(5)、内框连接板三(15)和内框连接板四(37)组成，转子外连框由外连框连接板一(17)、外连框连接板二(18)、外连框连接板三(34)和外连框连接板四(36)组成，旋转轴包含旋转轴x、旋转轴y和旋转轴z，其中旋转轴x由旋转轴x一(42)和旋转轴x二(59)组成，旋转轴y由旋转轴y一(9)和旋转轴y二(61)组成，旋转轴z由旋转轴z一(63)和旋转轴z二(64)组成；旋转柔性部件由旋转式磁流变阻尼器、离合器和扭簧机构组成，具体内容如下：旋转式磁流变阻尼器包含旋转式磁流变阻尼器x(54)、旋转式磁流变阻尼器y(38)和旋转式磁流变阻尼器z(48)，离合器包含离合器x(58)、离合器y(51)和离合器z(16)，扭簧机构包含扭簧机构x、扭簧机构y和扭簧机构z，其中扭簧机构x由旋转轴x一(42)、扭簧座x(45)、扭簧x(44)和扭簧紧固件x(43)组成，扭簧机构y由旋转轴y一(9)、扭簧座y(7)、扭簧y(8)和扭簧紧固件y(10)组成，扭簧机构z由旋转轴z二(63)、扭簧座z(62)、扭簧z(14)和扭簧紧固件z(13)组成；编码器包含编码器x(12)、编码器y(40)和编码器z(50)。

所述空间对接装置的陀螺结构组件的陀螺机构各陀螺框架间通过旋转轴连接，且旋转柔性部件和编码器均安装于陀螺机构的旋转轴上，旋转轴则通过紧固件安装于陀螺中框、陀螺内框和转子外连框上。具体实施方式如下：旋转轴x一(42)通过x轴端紧固件一(60)与中框连接板四(41)固连，并通过轴承与外框连接板三(47)连接，旋转轴x二(59)通过x轴端紧固件二(53)与中框连接板二(11)固连，并通过轴承与外框连接板二(3)连接；旋转轴y一(8)通过y轴端紧固件一(52)与内框连接板二(5)固连，并通过轴承与中框连接板一(6)连接，旋转轴y二通过y轴端紧固件二(57)与内框连接板四(37)固连，并通过轴承与中框连接板三(39)连接；旋转轴z一(63)通过联轴器(46)与旋转轴z二(64)固连，并通过轴承与内框连接板一(4)连接，旋转轴z二(64)通过轴承与内框连接板三(15)连接，其延伸段通过离合器z(16)与外连框连接板四(36)固连。旋转式磁流变阻尼器x(54)安装于陀螺外框与陀螺中框之间，其连接端与外框连接板二(3)固连，旋转式磁流变阻尼器y(38)安装于陀螺中框与陀螺内框之间，其连接端与中框连接板三(39)固连，旋转式磁流变阻尼器z(48)安装于陀螺内框内部，其连接端与内框连接板一(4)固连；离合器x(58)安装于陀螺外框与陀螺中框之间，其连接端与外框连接板三(47)固连，离合器y(51)安装于陀螺中框与陀螺内框之间，其连接端与中框连接板一(6)固连，离合器z(16)安装于陀螺内框与转子外连框之间，其连接端与内框连接板三(15)固连；扭簧座x(45)安装于外框连接板三(47)外侧，扭簧座y(8)安装于中框连接板一(6)外侧，扭簧座z(62)安装于内框连接板三(15)内侧。编码器x(12)内安装于旋转轴x二(59)上，并通过编码器x套筒(55)与外框连接板二(3)固连；编码器y(40)内安装于旋转轴y二(61)上，并通过编码器y套筒(56)与中框连接板二(11)固连；编码器z(50)内安装于旋转轴z二(64)，并通过编码器z套筒(49)与内框连接板一(4)固连。

所述空间对接装置的陀螺结构组件传递、缓冲与镇定空间碰撞冲量的实施方式：将空间对接装置放置于空间笛卡尔坐标系中，陀螺机构的俯仰和偏航两个方向分别作为x和y轴，转子外连框相对于陀螺内框的旋转可实现空间对接装置对空间z向碰撞角冲量的传递，陀螺内框相对于陀螺中框的旋转可实现空间对接装置对空间y向碰撞角冲量和空间x向碰撞直线冲量的传递，陀螺中框相对于陀螺外框的旋转可实现空间对接装置对空间x向碰撞角冲量和空间y向碰撞直线冲量的传递；由于扭簧机构x、扭簧机构y和扭簧机构z的存在，x、y和z向对接碰撞角冲量依次得到缓冲，且空间x、y向直线冲量依次通过扭簧机构y、扭簧机构x得到缓冲；通过编码器x(12)、编码器y(40)和编码器z(50)分别测量旋转轴x、旋转轴y和旋转轴z的旋转角度，而后将角度变量输送给控制器，通过规划旋转式磁流变阻尼器x(54)、旋转式磁流变阻尼器y(38)和旋转式磁流变阻尼器z(48)的阻尼力输出，可实现对空间x、y、z向碰撞角冲量和空间x、y向碰撞直线冲量引起的陀螺结构组件内部振动的镇定。

所述空间对接装置的滑动结构组件的实施方式：滑动结构组件包含滑动机构、直线柔性部件和直线位移传感器(32)等，其中滑动机构包含滑动外框、滑动内框、滑块和滑轨等，滑动外框由滑动外框连接板一(19)、滑动外框连接板二(21)和滑动外框连接板三(33)组成，滑动内框由滑动内框连接板一(27)和滑动内框连接板二(30)组成，滑块包含滑块一(65)和滑块二(68)，滑轨包含滑轨一(23)和滑轨二(31)；直线柔性部件包含直线式磁流变阻尼器(22)和弹簧机构，弹簧机构由弹簧紧固件(24)、弹簧(25)、弹簧座(26)组成；直线位移传感器(32)主要用于检测滑块与滑轨间相对位移。

所述空间对接装置的滑动结构组件的直线柔性部件和直线位移传感器(32)均安装于滑动机构上，其实施方式为：滑块一(65)与滑动外框连接板三(33)固连，滑块二(68)与滑动外框连接板二(21)固连，滑轨一(23)与滑动内框连接板一(27)固连，滑轨二(31)与滑动内框连接板二(30)固连，且滑块一(65)与滑块二(68)、滑轨一(23)与滑轨二(31)均呈对称式分布；滑动外框连接板一(19)与转子外连框连接板二(18)固连，实现了空间对接装置的一体化；直线式磁流变阻尼器(22)安装于阻尼座(69)上，阻尼座通过阻尼座支撑一(66)、阻尼座支撑二(67)、阻尼座连接件一(28)和阻尼器连接件二(29)与滑动内框固连，弹簧紧固件(24)与直线式磁流变阻尼器(22)外伸轴固连，弹簧座(26)安装在阻尼座(69)上；直线位移传感器(32)安装在滑动外框连接板三(33)上。

所述空间对接装置的滑动结构组件传递、缓冲与镇定空间z向直线碰撞冲量的实施方式：当空间对接装置受到空间z向直线冲量碰撞时，空间z向直线对接碰撞冲量经过滑动机构的传递后，由于弹簧机构的存在，空间z向直线对接碰撞冲量得到缓冲，通过直线位移传感器(32)测量滑块相对于滑轨的位移，并将位移变量输送给控制器，通过控制器规划直线式磁流变阻尼器(22)的阻尼力输出，实现对空间z向直线冲量碰撞引起的滑动结构组件内部振动的镇定。