一种多功能的空间碎片捕获装置

本发明涉及空间碎片捕获，更具体地，涉及一种多功能的空间碎片捕获装置。

背景技术：

1、目前，近地轨道上的空间碎片正在呈指数级增长的态势。高速运行的空间碎片会对航天器的太阳翼、光学元器件等产生撞击，轻则导致结构材料剥离，重则导致整个航天器的报废。因此，空间碎片的捕获与清理是空间技术领域亟待发展的一项关键技术。

2、现有技术公开了一种用于空间非合作碎片捕获的笼型装置及其工作方法，装置包括球笼、常平架组件、连接件和机械臂；球笼包括笼盖和笼身，笼盖打开后，笼身开口允许碎片进入，及时关闭笼盖防止碎片逃逸，在无需识别非合作碎片具体姿态的情况下，完成对碎片的捕获。

3、上述技术方案在对空间碎片进行捕获后，还需要额外使用回收装置将空间碎片从球笼内取出并转移到其他地方进行存储，以便球笼继续捕获空间碎片，同时便于对空间碎片进行回收处理。然而，空间碎片的捕获和回收分别使用不同的设备完成，不仅会增加设备成本，还会降低空间碎片的回收效率。

技术实现思路

1、针对上述现有技术需要额外使用回收装置对捕获机构所捕获的空间碎片进行回收，导致较高的设备成本和较低的空间碎片回收效率的问题，本发明提供了一种多功能的空间碎片捕获装置，其具备空间碎片的捕获和回收功能，可以在捕获空间碎片后对空间碎片进行回收。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

3、一种多功能的空间碎片捕获装置，包括卫星外壳、设置在所述卫星外壳外部的驱动组件和与所述驱动组件连接的捕获组件，所述捕获组件包括中间面板，所述中间面板上转动连接有多个壳瓣组件，所述驱动组件用于驱动所述壳瓣组件相对于所述中间面板转动而使所述壳瓣组件的末端相互靠拢或相互远离；当所述壳瓣组件的末端相互靠拢时，所述壳瓣组件与所述中间面板之间围成用于容纳空间碎片的容纳腔；所述卫星外壳上还设有用于放置空间碎片的存储仓和夹持机械臂，所述存储仓内设有存储腔，所述夹持机械臂用于将所述容纳腔内的空间碎片抓取到所述存储腔内。

4、在上述技术方案中，初始状态下，多个壳瓣组件的末端相互远离，壳瓣组件呈展开状态；当空间碎片靠近壳瓣组件的内侧并且位于容纳腔的包络范围内时，驱动组件驱动壳瓣组件的末端相互靠拢，使壳瓣组件闭合而围成容纳腔，从而将空间碎片包围在容纳腔内，至此完成空间碎片的捕获。待空间碎片稳定于容纳腔内之后，驱动组件再驱动壳瓣组件的末端逐渐远离，以打开容纳腔而暴露出空间碎片；夹持机械臂再伸至空间碎片处将空间碎片抓取到存储腔内进行存储，至此完成空间碎片的回收。

5、可以理解的是，中间面板和壳瓣组件的内侧均指的是容纳腔所在的一侧，外侧均指的是与容纳腔相对的一侧。

6、优选地，所述卫星外壳设有内腔和与所述内腔连通的通口，所述内腔内设有直线驱动机构，所述存储仓与所述直线驱动机构的动力输出端连接，所述直线驱动机构用于驱动所述存储仓通过所述通口平移进出所述内腔。在夹持机械臂抓取到空间碎片后，直线驱动机构驱动存储仓通过通口从内腔内部移动到内腔外部，夹持机械臂再将空间碎片放入存储腔内；接着直线驱动机构再驱动存储仓从内腔外部移动到内腔内部，使空间碎片受卫星外壳的保护而不受外界干扰和损伤，同时也可以减小整个装置的总体尺寸。

7、优选地，所述存储仓与所述卫星外壳滑动连接，所述直线驱动机构用于存储仓滑动，这样可以使存储仓以更加平稳的状态进出内腔，避免振动传导而导致空间碎片逃逸出存储仓。

8、其中，所述直线驱动机构可以是气缸、电推杆、齿轮齿条驱动机构、直线电机驱动机构、同步带驱动机构等等。优选地，所述直线驱动机构包括直线电机，所述直线电机设置在所述内腔的内壁上，所述直线电机的输出轴与所述存储仓连接。利用直线电机驱动存储仓移动，直线电机具有高精度、高响应速度、低振动、易于控制以及长寿命等特点，有利于提高空间碎片的回收效率。

9、优选地，所述夹持机械臂包括与所述卫星外壳连接的固定臂、设置在所述固定臂上的第一旋转驱动组件、与所述固定臂转动连接的第一旋臂、设置在所述第一旋臂上的第二旋转驱动组件、与所述第一旋臂转动连接的第二旋臂、设置在所述第二旋臂上的第三旋转驱动组件、与所述第二旋臂转动连接的第三旋臂、设置在所述第三旋臂上的第四旋转驱动组件、与所述第三旋臂转动连接并且用于夹持空间碎片的夹持组件；所述第一旋臂的轴线平行于所述固定臂以及所述第二旋臂的轴线，所述第一旋转驱动组件用于驱动所述第一旋臂绕自身轴线旋转；所述第二旋转驱动组件用于驱动所述第二旋臂绕垂直于自身轴线的轴线旋转；所述第三旋转驱动组件用于驱动所述第三旋臂绕垂直于自身轴线的轴线旋转；所述第四旋转驱动组件用于驱动所述夹持组件绕所述第三旋臂的轴线旋转。可以理解的是，这样的夹持机械臂为五自由度机械臂，夹持组件的活动范围较广，利用第一旋臂、第二旋臂、第三旋臂和夹持组件的旋转可以灵活调整夹持组件的位置和夹持角度，从而夹持到多个位置的空间碎片，有利于提高空间碎片回收的成功率和效率。

10、优选地，所述壳瓣组件呈圆周分布在所述中间面板上；所述驱动组件包括设置在所述卫星外壳上的驱动器和伸缩组件，所述驱动器上设有固定部，所述伸缩组件的一端与所述固定部连接，另一端与所述壳瓣组件连接；所述驱动器用于驱动所述伸缩组件伸缩，当所述伸缩组件伸长时所述壳瓣组件的末端相互靠拢，当所述伸缩组件缩短时所述壳瓣组件的末端相互远离。可以理解的是，当伸缩组件伸长时，伸缩组件的一端向壳瓣组件施加一个推力，该推力可推动壳瓣组件向靠近中间面板的内侧的方向转动，从而使壳瓣组件的末端相互靠拢，最终与中间面板围成容纳腔。通过伸缩组件的伸缩来驱动壳瓣组件展开或闭合，这种驱动方式较为灵活和安全，并且也有利于简化整个捕获机构的结构。

11、优选地，所述伸缩组件包括第一关节、第二关节和第一推动件，所述第一关节与所述第二关节转动连接且两者分别与所述固定部和所述第一推动件转动连接，所述第一推动件转动连接于所述壳瓣组件的外侧；所述第一关节相对于所述固定部旋转的旋转轴线、所述第二关节相对于所述第一推动件旋转的旋转轴线均垂直于所述第二关节相对于所述第一关节旋转的旋转轴线，所述第一推动件相对于所述壳瓣组件旋转的旋转轴线垂直于所述第二关节相对于所述第一推动件旋转的旋转轴线；所述驱动器用于驱动所述中间面板旋转，所述中间面板的旋转轴线垂直于所述第一关节相对于所述固定部旋转的旋转轴线，当所述中间面板旋转时，所述第二关节与所述第一关节相对旋转而使所述伸缩组件伸长或缩短。当驱动器驱动中间面板旋转时，第二关节相对于第一关节旋转，同时第一关节相对于固定部旋转，第二关节相对于第一推动件旋转，第一推动件相对于壳瓣组件旋转，从而使伸缩组件达到伸长状态；在伸缩组件伸长的过程中，第二关节通过第一推动件向壳瓣组件施加推动力，从而驱动壳瓣组件向中间面板的内侧转动。通过驱动中间面板旋转即可使壳瓣组件的末端相互靠拢，这样的驱动组件结构及其驱动方式更加灵活和简单，不仅有利于减轻整个机构的重量，降低机构的制造成本和维护成本，还更易于操控机构动作，使任务更加顺利地进行。

12、优选地，所述壳瓣组件包括与所述中间面板转动连接的第一面板和第二面板，所述中间面板、所述第一面板和所述第二面板均为正五边形面板，所述第一面板的一边与所述中间面板的一边转动连接，所述第二面板位于所述第一面板上与所述中间面板相对的一边，并且与所述第一面板转动连接；所述第二面板的一边连接有呈等腰三角形状的第三面板，所述第三面板位于所述第二面板上与所述第一面板相对的一边；所述第一推动件转动连接于所述第一面板的外侧中部。

13、进一步地，所述伸缩组件还包括第三关节、第四关节和第二推动件，所述第三关节与所述第四关节转动连接且两者分别与所述第一推动件和所述第二推动件转动连接；所述第二推动件转动连接于所述第二面板的外侧中部；所述第三关节相对于所述第一推动件旋转的旋转轴线、所述第四关节相对于所述第二推动件旋转的旋转轴线均垂直于所述第四关节相对于所述第三关节旋转的旋转轴线；当所述中间面板旋转时，所述第一面板、所述第二面板、所述第三面板与所述中间面板可围成封闭的所述容纳腔。

14、在中间面板旋转的过程中，第一关节相对于固定部旋转，第一关节与第二关节相对旋转，第二关节相对于第一推动件旋转，第一推动件相对于第一面板旋转，使得伸缩组件得到伸长，并且通过第一推动件推动第一面板向靠近中间面板的内侧的方向旋转；同时第三关节相对于第一推动件旋转，第三关节与第四关节相对旋转，第四关节相对于第二推动件旋转，第二推动件相对于第二面板旋转，使得伸缩组件得到进一步伸长，并且通过第二推动件推动第二面板向靠近第一面板的内侧的方向旋转，最终使第三面板的相互靠拢。第一面板、第二面板和中间面板统一为正五边形面板更容易生产加工，并且利用这样的第一面板、第二面板、第三面板和中间面板所围成的容纳腔密闭性较好，可大大降低碎片逃逸容纳腔的概率。

15、优选地，所述卫星外壳上设有蓄电池，所述中间面板、所述第一面板和所述第二面板的内侧均设有第一太阳能电池板，所述第一太阳能电池板与所述蓄电池电性连接。在壳瓣组件的末端处于相互远离的状态下，第一太阳能电池板外露而吸收太阳能，并将太阳能转化为电能储存到蓄电池内，可为整个捕获装置提供电能，减少整个捕获装置对外部电源的依赖，有利于降低整个装置的运行成本。

16、优选地，所述卫星外壳的外部设有第二太阳能电池板，所述第二太阳能电池板与所述蓄电池电性连接。同理，第二太阳能电池板可以吸收太阳能并将太阳能转化为电能储存到蓄电池内，从而为整个装置提供持续稳定的电源，提高整个装置运行的稳定性和安全性。

17、本发明的有益效果：

18、(1)装置具备空间碎片捕获和回收的功能。通过将捕获组件、存储仓和机械臂结合，利用机械臂将已被捕获的空间碎片抓取到存储仓内进行存储回收，以便空间碎片后续的再利用，不仅可降低设备成本，还可提高空间碎片的回收效率。

19、(2)机械臂动作灵活，抓取空间碎片成功率高。机械臂为五自由度机械臂，夹持组件活动范围广，动作灵活，可顺利抓取到多个位置的空间碎片。

20、(3)适配性强。捕获组件可用于捕获并回收利用不同形态的空间碎片，如棒状、杆状、片状的碎片。

21、(4)装置具备太阳能发电功能。设置太阳能电池板吸收太阳能，并将太阳能转化为电能储存到蓄电池内，可为整个装置提供持续稳定的电源，降低该装置对外部电源的依赖以及装置的运行成本。