“繩網(wǎng)飛行器+繩系機(jī)械爪”捕獲近地小行星的新概念方案

王彗木，劉 偉，高 揚(yáng)

(1.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心,北京100094；2.法國里昂國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,里昂,法國；3.中科院太空應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094；4.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)

1 引言

美國航天局曾經(jīng)推動(dòng)的“小行星重定向任務(wù)”(Asteroid Redirect Mission,ARM)決定用無人航天器捕獲一顆近地小行星(后又被更改為從一顆小行星表面采集一塊巨石),然后將其帶回至月球附近軌道,再發(fā)射載人飛船前往探索與利用［1］。ARM任務(wù)是美國航天局在載人航天重返月球的“星座計(jì)劃”取消之后提出的,一方面希望超越上世紀(jì)60年代的阿波羅登月計(jì)劃,另一方面要為載人登陸火星計(jì)劃驗(yàn)證若干關(guān)鍵技術(shù)。除此之外,ARM任務(wù)也是小行星礦產(chǎn)開采與運(yùn)輸、小行星軌道偏轉(zhuǎn)以防護(hù)地球等未來深空任務(wù)的一種展示。

在ARM任務(wù)中,無人航天器在接近目標(biāo)小行星后捕獲目標(biāo)、改變運(yùn)動(dòng)姿態(tài)并實(shí)施拖曳的過程,在本文中被統(tǒng)稱為“小行星捕獲”,是任務(wù)實(shí)施過程的關(guān)鍵步驟。從技術(shù)手段的基本原理來看,以小行星為目標(biāo)的捕獲可以歸結(jié)為空間非合作目標(biāo)捕獲的一種特殊形式。然而,相比于傳統(tǒng)的空間非合作目標(biāo)(如空間碎片、故障人造衛(wèi)星等),有關(guān)小行星的如旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、表面情況、質(zhì)量與慣量等信息更加缺乏。除此之外,目標(biāo)小行星的質(zhì)量可達(dá)幾百噸級(jí),直徑可達(dá)數(shù)米至數(shù)十米,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的空間目標(biāo)。

目前,對(duì)空間非合作目標(biāo)的捕獲方法可分為兩大類。第一類是剛性捕獲,通過機(jī)械臂對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲,如德國航天局與俄羅斯聯(lián)合開展的空間系統(tǒng)演示與驗(yàn)證技術(shù)衛(wèi)星(TECSAS)項(xiàng)目［2］、美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局發(fā)起的全能軌道操縱飛行器(SUMO)/前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證(FREND)項(xiàng)目［3］。第二類是柔性捕獲,使用繩索/繩網(wǎng)進(jìn)行輔助對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲,如TUI(Tether Unlimited Inc.)提出的 GRASP 系統(tǒng)［4］,利用繩索在剛性桿件的支撐下形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在交會(huì)過程中可靠地抓捕載荷；歐洲空間局的ROGER項(xiàng)目通過使用繩索連接機(jī)械爪捕獲終端、網(wǎng)型捕獲終端、機(jī)械臂等對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲［5］。

對(duì)于ARM任務(wù)的捕獲目標(biāo)(直徑數(shù)米的小行星、質(zhì)量可達(dá)幾百噸),目前主要方案是采用機(jī)械臂或者大型口袋進(jìn)行捕獲,分屬于剛性捕獲和柔性捕獲。本文在分析采用機(jī)械臂或大型口袋捕獲小行星的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出一種利用“繩網(wǎng)飛行器”與“繩系機(jī)械爪”相結(jié)合的小行星捕獲新概念方案,并對(duì)繩網(wǎng)收口機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能方式、收口機(jī)構(gòu)以及機(jī)械爪抓取方式進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì),以在改變拖曳方向時(shí)減少能源消耗。

2 捕獲小行星方案

2.1 機(jī)械臂或大型口袋捕獲方案

ARM任務(wù)采用機(jī)械臂或大型口袋捕獲小行星目標(biāo)的概念原理如圖1所示,兩種方案都需要包絡(luò)整顆小行星［1］。對(duì)于直徑數(shù)米(后文中以十米為參考值)的目標(biāo),所需機(jī)械臂或口袋的規(guī)模相比已有同類技術(shù)均需大幅提升。ARM后續(xù)方案將捕獲整塊小行星改為采用機(jī)械臂捕獲小行星表面巨石,如圖2所示,很大程度上也是考慮到捕獲整顆小行星的技術(shù)挑戰(zhàn)不易在短期內(nèi)解決［1］。

對(duì)于直徑數(shù)米、質(zhì)量可達(dá)幾百噸的小行星(或更小的小行星表面巨石),如果使用機(jī)械臂或大型口袋進(jìn)行捕獲,具有相當(dāng)大的技術(shù)難度,根本原因在于對(duì)小行星基本信息的缺失。潛在的技術(shù)困難列舉如下：

1)小行星的形狀、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和慣量等特性,只有在探測(cè)飛行器接近后才有可能開展精細(xì)探測(cè),任務(wù)開展之前難以確定或準(zhǔn)確度有限,機(jī)械臂或大型口袋的技術(shù)方案在設(shè)計(jì)初期就面臨挑戰(zhàn)。

2)小行星大多數(shù)是處于姿態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài),且旋轉(zhuǎn)狀態(tài)事先不易精確確定。一方面機(jī)械臂或大型口袋穩(wěn)定包絡(luò)目標(biāo)具有技術(shù)難度；另一方面機(jī)械臂與探測(cè)飛行器之間以剛性連接為主,有著非常強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)耦合特性,抓捕目標(biāo)過程的穩(wěn)定控制問題非常復(fù)雜。

3)處于姿態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的小行星即使能夠成功被機(jī)械臂或大型口袋包絡(luò),在此之后實(shí)施定向拖曳也是技術(shù)挑戰(zhàn)。探測(cè)飛行器需要巨大的阻尼力矩來改變小行星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng),阻尼力矩的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)技術(shù)難題。

4)機(jī)械臂在包絡(luò)小行星之后,需要設(shè)法固定于小行星；但是,小行星表面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)事先并不清楚,有可能是由碎石松散的堆積起來,孔隙極多,機(jī)械臂末端不易實(shí)現(xiàn)錨定。若難以實(shí)現(xiàn)錨定,探測(cè)飛行器、機(jī)械臂、小行星之間的動(dòng)力學(xué)耦合進(jìn)一步復(fù)雜化,不利于后續(xù)的穩(wěn)定拖曳。

基于以上分析,使用機(jī)械臂或大型口袋捕獲小行星目標(biāo)的方式技術(shù)挑戰(zhàn)大、風(fēng)險(xiǎn)高,因此本文提出一種新的捕獲方案,用于克服(或避免)上述的技術(shù)難題。

2.2 “繩網(wǎng)飛行器+繩系機(jī)械爪”捕獲方案

參照空間繩網(wǎng)系統(tǒng)捕獲非合作目標(biāo)的方式,提出一種繩網(wǎng)飛行器的概念。如圖3所示,正方形繩網(wǎng)的頂點(diǎn)質(zhì)量塊是能夠獨(dú)立飛行的微納衛(wèi)星平臺(tái),具備軌道與姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力,該類型繩網(wǎng)在本文中被稱為“繩網(wǎng)飛行器”。根據(jù)被捕獲目標(biāo)的形狀與結(jié)構(gòu),繩網(wǎng)的形狀與頂點(diǎn)可以采用不同的設(shè)計(jì)。繩網(wǎng)飛行器相當(dāng)于一種柔性飛行器,可以進(jìn)行獨(dú)立飛行,其最大構(gòu)形取決于繩網(wǎng)完全展開的形狀。一般而言,繩網(wǎng)材料需要強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐高溫、柔性好等基本特性,碳纖維類材料是較為合適的選擇。繩網(wǎng)飛行器由探測(cè)飛行器釋放,釋放前處于收攏狀態(tài),在探測(cè)飛行器附近自主地或接受指令開展空間操作,空間操作過程中與探測(cè)飛行器沒有接觸。

空間繩系系統(tǒng)與繩網(wǎng)飛行器相似,已有較多研究成果,如歐洲在1997年和2007年設(shè)計(jì)的YES和 YES2系統(tǒng)［6］,美國在 2003年設(shè)計(jì)的ProSEDS系統(tǒng)［7］,以及 2007 年設(shè)計(jì)的 MAST 系統(tǒng)［8］。與空間繩系系統(tǒng)相比,繩網(wǎng)飛行器的不同之處在于可以通過質(zhì)量塊協(xié)同控制軌道和姿態(tài)。首先,繩網(wǎng)飛行器實(shí)現(xiàn)與小行星目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同步；然后,繩網(wǎng)飛行器接觸小行星實(shí)現(xiàn)包絡(luò)；最后,繩網(wǎng)飛行器通過質(zhì)量塊“交會(huì)對(duì)接”并拉緊繩網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)小行星的捕獲,即小行星被繩網(wǎng)完全包裹。這是一個(gè)非合作目標(biāo)“合作化”的過程。探測(cè)飛行器沒有接觸式的參與,全程處于安全狀態(tài),并可以操控繩網(wǎng)飛行器的捕獲過程。此外,探測(cè)飛行器可以攜帶多顆繩網(wǎng)飛行器作為冗余備份。

在繩網(wǎng)飛行器捕獲目標(biāo)后,探測(cè)飛行器釋放繩系機(jī)械爪,繩系機(jī)械爪本身也具有機(jī)動(dòng)能力。機(jī)械爪尋找合適的繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)(見圖4)并實(shí)現(xiàn)抓取,從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)飛行器與小行星的實(shí)質(zhì)接觸。

顯然,此類接觸是一種柔性連接方式,使得探測(cè)飛行器與目標(biāo)小行星之間有足夠的安全距離。即使機(jī)械爪抓取過程發(fā)生意外,也可以及時(shí)切斷繩索或機(jī)械爪張開脫離與小行星的接觸。相對(duì)機(jī)械臂的剛性連接而言,探測(cè)飛行器的安全性得到了極大的提升,捕獲失敗對(duì)探測(cè)飛行器的影響也大大降低。

基于以上分析,對(duì)ARM任務(wù)擬采取繩網(wǎng)捕獲的柔性捕獲方式,任務(wù)大體上分成三個(gè)階段：第一階段是靠近并調(diào)整,探測(cè)器通過軌道機(jī)動(dòng)靠近捕獲目標(biāo),進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整以瞄準(zhǔn)目標(biāo)；第二階段是發(fā)射及收口,探測(cè)器發(fā)射繩網(wǎng),繩網(wǎng)在捕獲目標(biāo)后由收口機(jī)構(gòu)進(jìn)行收口；第三階段是抓取及拖拽,在繩網(wǎng)捕獲目標(biāo)后,由探測(cè)器發(fā)射機(jī)械爪抓取繩網(wǎng),消旋后進(jìn)行拖拽。捕獲過程如圖5所示。

3 “繩網(wǎng)飛行器+繩系機(jī)械爪”方案的優(yōu)勢(shì)與難點(diǎn)分析

3.1 與機(jī)械臂或大型口袋相比的優(yōu)勢(shì)

基于空間繩系系統(tǒng)的可行性,設(shè)想一個(gè)以繩系系統(tǒng)為基礎(chǔ)的空間捕獲計(jì)劃。空間繩系系統(tǒng)的捕獲終端,在ARM任務(wù)中提到了機(jī)械臂或大型口袋。但是由于小行星表面地質(zhì)結(jié)構(gòu)不明,機(jī)械臂可能無法進(jìn)行很好地捕獲；而大型口袋對(duì)于十米或更大尺度的巨石目標(biāo)需求體積過于龐大,且不好攜帶。相對(duì)于機(jī)械臂或大型口袋,“繩網(wǎng)飛行器+繩系機(jī)械爪”的方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)繩網(wǎng)包絡(luò)面積更大,容易收攏與張開,可以捕獲直徑更大的目標(biāo)；

2)通過發(fā)射繩網(wǎng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲,相對(duì)于被捕獲目標(biāo)的相對(duì)位置和姿態(tài)要求更低,容錯(cuò)率高；

3)繩網(wǎng)捕獲裝置更容易實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計(jì),可以攜帶多套繩網(wǎng)捕獲裝置,在單次捕獲任務(wù)失敗的情況下可以進(jìn)行二次捕獲,也可以對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行多次捕獲［9］。

4)繩網(wǎng)飛行器作為一個(gè)獨(dú)立飛行器,通過自身控制可以改變構(gòu)形,調(diào)整相對(duì)于被捕獲目標(biāo)的位置和指向,空間操作靈活［10-12］。

5)繩系機(jī)械爪抓取繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的操作方式便于實(shí)現(xiàn)。探測(cè)飛行器在小行星捕獲過程中安全性高,基本不會(huì)與小行星發(fā)生碰撞。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)與擬解決方案

“繩網(wǎng)飛行器+繩系機(jī)械爪”捕獲小行星的概念,具有一定的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也引入了一些新的技術(shù)難點(diǎn),總結(jié)如下：

1)繩網(wǎng)飛行器的軌道姿態(tài)運(yùn)動(dòng)是多顆微納衛(wèi)星在柔性連接下的協(xié)同控制飛行,是一種新的飛行方式,編隊(duì)飛行同時(shí)避免碰撞。這是一個(gè)柔性多體系統(tǒng)的控制問題,需要開展深入的動(dòng)力學(xué)建模與控制律設(shè)計(jì)研究。

2)繩網(wǎng)包絡(luò)小行星后高效地、高可靠地收口是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在收口過程中可能出現(xiàn)的收口繩長(zhǎng)度不一,鎖死機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定等問題都會(huì)阻礙成功收口,因而收口機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)就顯得至關(guān)重要。

3)繩系機(jī)械爪對(duì)繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的抓取是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。一方面機(jī)械爪要準(zhǔn)確的對(duì)繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行抓?。涣硪环矫姹ＷC抓取后的穩(wěn)固性。這就需要對(duì)抓取結(jié)構(gòu)以及抓取方式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以提高抓取成功率。

4)“繩網(wǎng)飛行器+繩系機(jī)械爪”方案對(duì)于在小行星表面抓取巨石具有難度,繩網(wǎng)飛行器難以包絡(luò)小行星表面巨石。定向爆破技術(shù)有望得以應(yīng)用,在巨石的接觸面放置爆破裝置,可將巨石推離小行星表面。失重狀態(tài)下的定向爆破技術(shù)有望成為一個(gè)研究方向,在小行星探測(cè)、開采、防御領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

4 繩網(wǎng)飛行器收口機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

4.1 收口機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

目前,國外對(duì)系繩收放機(jī)構(gòu)有一定的研究,如歐洲空間局在ROGER項(xiàng)目中提出的一種電機(jī)主動(dòng)卷取式機(jī)構(gòu)［5,13］。國內(nèi)對(duì)系繩收放機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究有采用超聲波電機(jī)的空間飛網(wǎng)自適應(yīng)收口機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)上采用雙向卷入,具有一定的防纏繞和翻滾的自適應(yīng)機(jī)制［14］；還有彈簧儲(chǔ)能式卷取機(jī)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高等特點(diǎn),但只能收取,難于釋放,因儲(chǔ)能少不利于長(zhǎng)距離卷取,也不利于重復(fù)使用［15］。目前關(guān)于繩網(wǎng)收口機(jī)構(gòu)的主要方案如表1以及圖6所示。

表1 繩網(wǎng)收口機(jī)構(gòu)列表Table 1 List of take-up mechanisms for space net

4.2 收口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

收口機(jī)構(gòu)的功能是在繩網(wǎng)飛行器包絡(luò)小行星后執(zhí)行收口操作。繩網(wǎng)系統(tǒng)展開后,在接近目標(biāo)小行星包絡(luò)面積達(dá)到最大后與小行星碰撞并開始收縮,此時(shí)不存在被小行星表面不規(guī)則巖石所勾住的情況。故我們只需考慮收口機(jī)構(gòu)在繩網(wǎng)系統(tǒng)包絡(luò)小行星后的收口操作。假設(shè)每一個(gè)質(zhì)量塊配有主動(dòng)卷放機(jī)構(gòu),如圖7所示,兩個(gè)目標(biāo)物是相鄰質(zhì)量快,共面不共線。由于兩邊系繩拉力不一定相等,或者繩網(wǎng)捕獲的目標(biāo)并不在繩網(wǎng)的中心時(shí),兩邊的系繩長(zhǎng)度不一樣,因此收口機(jī)構(gòu)必須有自適應(yīng)性和差速性。單電機(jī)單繞線輪難以滿足這種需求,單繞線輪對(duì)捕獲目標(biāo)在繩網(wǎng)中的位置以及兩邊收口繩的長(zhǎng)度都有很高要求。在ARM任務(wù)中要做到捕獲目標(biāo)完全在繩網(wǎng)中心是相當(dāng)困難的,因而單電機(jī)單繞線輪可行性不高。本文采用雙卷筒與雙電機(jī),卷筒之間獨(dú)立收繩,獨(dú)立調(diào)控,進(jìn)而保證收繩的可控性。

此外,由于兩個(gè)目標(biāo)物所造成的拉力不同,以及拉力有可能不通過質(zhì)心,造成收口機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)從而影響收口。為保證收口機(jī)構(gòu)在收口過程中不翻轉(zhuǎn),要求收口機(jī)構(gòu)的質(zhì)心位置在兩卷筒之間；若不滿足該條件,則通過增加配重來進(jìn)行調(diào)整。同時(shí),為防止特殊情況下出現(xiàn)的收口繩反向拉伸,設(shè)置可控的鎖死機(jī)構(gòu),保證相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)繩索只能卷入,不能被拉出。

卷取機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示,主要構(gòu)成為質(zhì)量塊外殼、卷筒一、卷筒二、電機(jī)一、電機(jī)二、機(jī)械儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)一、機(jī)械儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)二、鎖芯一、鎖芯二。為保證深空探測(cè)的續(xù)航,收口機(jī)構(gòu)采用機(jī)械儲(chǔ)能與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的雙驅(qū)動(dòng)模式。機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)在繩網(wǎng)捕獲之前均處于待觸發(fā)狀態(tài),相互獨(dú)立。其中機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)與彈簧式儲(chǔ)能收口機(jī)構(gòu)類似,以彈簧彈性勢(shì)能作為動(dòng)力源進(jìn)行收口。

當(dāng)捕獲行動(dòng)開始時(shí),由收口機(jī)構(gòu)的觸發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)出收口指令(由于捕獲網(wǎng)及質(zhì)量塊相對(duì)于被捕獲目標(biāo)的質(zhì)量很小,在碰撞被捕獲目標(biāo)時(shí)加速度及繩網(wǎng)拉力將顯著變化,因此可以采用拉力傳感器或加速度傳感器對(duì)其進(jìn)行判定觸發(fā)；或者通過探測(cè)飛行器發(fā)射無線電信號(hào)遙控觸發(fā)),先由機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)與卷線筒連接,收口機(jī)構(gòu)切換至收繩狀態(tài),收口繩只能收卷不能拉出,由機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)收繩。在機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)彈簧彈性勢(shì)能耗盡后,機(jī)械收口機(jī)構(gòu)與卷線筒斷開,再將電機(jī)驅(qū)動(dòng)與卷線筒連接繼續(xù)進(jìn)行收口。在收繩接近結(jié)束時(shí),四個(gè)收口機(jī)構(gòu)相互靠近,為了保證收口機(jī)構(gòu)的相互固定,在收口機(jī)構(gòu)的外殼加裝了類似鎖芯的機(jī)構(gòu)。若遇見緊急情況或者其它情況需要打開繩網(wǎng),可由探測(cè)飛行器發(fā)射信號(hào)控制冠狀鎖解除鎖定,并由電機(jī)控制釋放繩網(wǎng)。如圖9所示。

設(shè)計(jì)的收口機(jī)構(gòu)采用了雙電機(jī)加機(jī)械儲(chǔ)能收口裝置,可滿足深空探測(cè)續(xù)航需求,同時(shí)收放可控；并且采用雙向卷入雙卷筒雙電機(jī)模式,電機(jī)之間相互獨(dú)立,具有差速功能和防纏繞防翻滾,對(duì)捕獲目標(biāo)位置沒有嚴(yán)格要求,適應(yīng)性廣,可靠性高。經(jīng)過針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)后,可以具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)收繩確保在一端出現(xiàn)問題的情況下仍然能夠收線,完成收口工作；

2)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)收繩的電機(jī)之間獨(dú)立調(diào)控,收繩速度可控,具有適應(yīng)性與差速性,保證在兩側(cè)繩索長(zhǎng)度不一致時(shí)協(xié)同控制收繩；

3)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)收繩降低了繩網(wǎng)投放精度要求,捕獲目標(biāo)不需要在繩網(wǎng)中心,降低了捕獲難度；

4)機(jī)械儲(chǔ)能加電機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合方式進(jìn)行收繩,降低了對(duì)收口機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能需求；

5)質(zhì)量外殼裝配有冠狀鎖與鎖口,在收繩完成后能保證收口機(jī)構(gòu)之間的相互鎖緊。

在收口機(jī)構(gòu)的能源供給方式中,機(jī)械儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),技術(shù)已相當(dāng)成熟；同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在國外的ROGER項(xiàng)目［5］以及國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)［14,17］都有研究及實(shí)際應(yīng)用。在收口機(jī)構(gòu)的最后固定過程中,冠狀鎖的配合簡(jiǎn)單,且對(duì)定位難度要求低,可靠性強(qiáng)。

5 機(jī)械爪及抓取繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)概念設(shè)計(jì)

5.1 機(jī)械爪研究現(xiàn)狀

國外對(duì)機(jī)械爪的研究比較早,因此有相當(dāng)多的成果,如德國宇航局開發(fā)的ROTEX的兩指手爪［19-20］,日本的 ETS-7 機(jī)器人兩指手爪［21-22］,以及加拿大航天局的SPDM機(jī)器人OTCM手爪［23］。這些機(jī)械爪全是多傳感器集成、智能化的兩指手爪,如圖10所示。

除了兩指手爪,還有三指手爪。相對(duì)于兩指手爪,三指手爪具有更好的穩(wěn)定性、更容易的曲線包絡(luò)和更輕松的抓捕定位。如加拿大航天局的欠驅(qū)動(dòng)SARAH手爪［24］,具有2個(gè)電機(jī)3個(gè)手指10個(gè)自由度,可以進(jìn)行一些靈巧操作,如圖11所示。

國內(nèi)在機(jī)械爪研究領(lǐng)域起步較晚,但也有了相應(yīng)的成果,比如中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所為空間機(jī)器人研制了一種多傳感器手爪［25-26］,以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制出的兩指空間機(jī)器人手爪［27］如圖12所示。

基于國內(nèi)外研究情況,機(jī)械爪一般采用直流無刷電機(jī)；具有足夠的感知功能,如位置、溫度、力以及電流的感知功能等；與視覺系統(tǒng)有良好的機(jī)電接口。

5.2 機(jī)械爪設(shè)計(jì)及分析

5.2.1 需求分析

針對(duì)ARM任務(wù),機(jī)械爪的主要任務(wù)是鎖定繩網(wǎng)的繩結(jié)處從而對(duì)整個(gè)繩網(wǎng)及其所包絡(luò)的物體進(jìn)行拖拽,因此機(jī)械爪需要具有以下功能：

1)完善的傳感器功能。為了能夠適應(yīng)復(fù)雜的空間環(huán)境,機(jī)械爪必須具備一定的自主性以及自我保護(hù)能力,因此配備多種傳感器。

2)高精度的定位能力,以準(zhǔn)確的對(duì)相應(yīng)的繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行抓取。

3)足夠強(qiáng)度的剛度和穩(wěn)定性,保證在抓取及拖拽過程中不發(fā)生脫離。

機(jī)械爪抓捕繩網(wǎng)的一般策略為抓取收口機(jī)構(gòu),有一定的缺陷。一方面,抓取部位單一,只能抓取收口機(jī)構(gòu)上的指定位置；另一方面,拖拽燃料消耗大,只能從收口機(jī)構(gòu)那端進(jìn)行拖拽,改變拖曳方向需要額外消耗燃料進(jìn)行目標(biāo)姿態(tài)調(diào)整,如圖13所示。因此,采用機(jī)械爪抓取繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的策略,首先繩網(wǎng)的繩結(jié)數(shù)量相當(dāng)?shù)拇?選擇靈活；其次,改變拖曳方向不需要調(diào)整目標(biāo)姿態(tài),只需要松開機(jī)械爪,重新尋找合適的繩結(jié)進(jìn)行抓取及拖曳即可,如圖14所示。

以繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)為捕獲目標(biāo)的機(jī)械爪,需要具有較強(qiáng)的定位能力和穩(wěn)固性。兩指機(jī)械爪多為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),通過繞支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)來完成機(jī)械爪的開合動(dòng)作。多指機(jī)械爪一般完成抓獲比較小的物體,用手指內(nèi)壁將目標(biāo)物包絡(luò)。為了保證更好的定位和包絡(luò)空間,采用四指或五指的機(jī)械爪設(shè)計(jì)方案。同時(shí),隨著機(jī)械爪手指的關(guān)節(jié)數(shù)增加,靈活性增加,剛度、穩(wěn)定性、承重能力將下降。故設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)數(shù)盡可能少的機(jī)械爪確保抓取的強(qiáng)度和拖曳過程的穩(wěn)定性,并在機(jī)械爪的末端增加可控的自鎖機(jī)構(gòu),用于鎖緊繩結(jié)。當(dāng)機(jī)械爪捕獲過程發(fā)生意外時(shí),為保障探測(cè)飛行器的安全,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的解鎖裝置脫離探測(cè)飛行器。5.2.2 機(jī)械爪設(shè)計(jì)

基于對(duì)機(jī)械爪的需求分析,采用平面連桿機(jī)構(gòu)和四指的設(shè)計(jì)方案,如圖15所示。

機(jī)械爪由四指組成,每個(gè)機(jī)械手指末端裝配有可操控開合的鎖頭。當(dāng)抓取行動(dòng)開始時(shí),在手眼視覺等測(cè)量傳感器引導(dǎo)下,機(jī)械爪從初始位置靠近目標(biāo)繩結(jié),逐步縮短與目標(biāo)繩結(jié)的距離,并保持姿態(tài)同步。通過運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪到達(dá)抓取點(diǎn)位置并避免與目標(biāo)小行星發(fā)生碰撞。機(jī)械爪四指閉合,末端鎖扣相互鎖緊扣合,完成抓取繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn)。若出現(xiàn)意外情況,如卡死等,機(jī)械爪將啟動(dòng)安全恢復(fù)程序,重新對(duì)目標(biāo)進(jìn)行抓取。

6 行星的消旋

ARM中對(duì)行星進(jìn)行消旋所采用的一種方法是在使用巨袋捕獲小行星后,通過收緊巨袋內(nèi)的安全氣囊對(duì)小行星施加壓力以固定小行星的質(zhì)心并對(duì)其自旋產(chǎn)生限制,從而達(dá)到消旋的效果［28］。而本文所設(shè)計(jì)的捕獲方案屬于繩系系統(tǒng),ARM中的方案無法有效實(shí)施。

TUI(Tethers Unlimited,Inc)于2015年對(duì)于繩系系統(tǒng)捕獲方案下的消旋問題曾提出過動(dòng)量交換法。即在系統(tǒng)捕獲小行星后,由航天器釋放小型衛(wèi)星,將小行星的角動(dòng)量轉(zhuǎn)換到小型衛(wèi)星上,最后再將小型衛(wèi)星釋放,從而實(shí)現(xiàn)小行星的消旋［29］。本文系統(tǒng)與此類似,可采用與之相似的方法進(jìn)行消旋,如圖16所示。在收口機(jī)構(gòu)、機(jī)械爪以及繩系飛行器與機(jī)械爪的繩子連接處配備力傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)力傳感器的數(shù)值,并進(jìn)行姿態(tài)控制,在繩子不斷裂的情況下進(jìn)行消旋。

7 結(jié)論

針對(duì)小行星重定向任務(wù)設(shè)計(jì)的一個(gè)以空間繩網(wǎng)系統(tǒng)為核心的柔性捕獲新方案,通過“繩網(wǎng)飛行器+繩系機(jī)械爪”對(duì)目標(biāo)小行星進(jìn)行捕獲,有效地避免了機(jī)械臂或大型口袋捕獲小行星的技術(shù)難題和風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的收口機(jī)構(gòu)采用機(jī)械儲(chǔ)能與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的能源供給方式,降低了儲(chǔ)能需求,提高了深空探測(cè)捕獲任務(wù)的續(xù)航能力。機(jī)械爪抓取對(duì)象設(shè)定為繩網(wǎng)結(jié)點(diǎn),提高了抓取靈活性,降低了改變拖曳方向的燃料消耗。“繩網(wǎng)飛行器+繩系機(jī)械爪”的捕獲方案具有很高的可靠性、安全性,容錯(cuò)率高,適應(yīng)性強(qiáng)。