用于太空捕获的单张曲面双曲面捕捉机构

《Aerospace Science and Technology》：One-sheeted hyperboloid capture mechanism for space capture

　　袁江|赵永生|林小龙|顾倩倩|韩蒙|韩波
摘要
空间捕获是深空探索中的关键技术，而在高真空和微重力条件下捕获不规则且非合作的目标仍然是一个重大挑战。电缆在航空航天工程中被广泛使用，通常作为系绳或捕获网的组成部分，但很少被用作捕获机制的终端结构，这限制了其固有柔顺性的利用。为了解决这个问题，本文提出了一种基于单叶双曲面（OSH）几何构造原理的新型捕获机制——单叶双曲面捕获机制（OSH-CM）。该机制由两个相对可旋转的部件组成，通过一组电缆连接在一起。通过它们的相对旋转，电缆组逐渐形成OSH配置，从而能够在空间区域内实现柔顺接触和目标约束。本文建立了OSH-CM的数学原理，并系统地开发并验证了其运动学和静态模型。基于OSH-CM制作了一个空间夹持器原型，并进行了实验以评估其性能。结果表明，所提出的机制对不同尺寸和形状的目标具有良好的适应性，并具有柔顺、可控和可重复的捕获特性。研究结果表明，该机制在空间捕获任务中具有潜在优势，可以为先进的空间捕获系统的设计提供理论基础和技术支持。

引言
深空探索是一项揭示宇宙奥秘和开发利用外星资源的关键空间活动，是航空航天工程中的一个前沿且战略意义重大的领域[1,2,3]。自20世纪50年代第一颗人造卫星发射进入太空以来，空间科学技术不断进步和发展，将人类的认知和理解扩展到了太阳系边缘乃至更远的地方[4,5,6]。任务范围的扩大和复杂性的增加不可避免地导致了对深空探测器的技术要求不断提高，特别是对于能够高效与深空环境互动的机器人系统而言。因此，作为关键组成部分的空间捕获技术已成为包括卫星维修、轨道垃圾清除、样本收集和在轨组装在内的各种重要任务的核心支持手段[7,8,9,10]。

在深空探索任务的背景下，空间捕获面临诸多挑战[11,12]。高真空和微重力环境对捕获系统提出了严格的要求。此外，目标物体通常是无结构的、非配合的，并且存在运动不确定性，这进一步增加了捕获的难度[13,14,15]。与地球表面的物体不同，太空物体几乎不受流体阻力的影响，并且可以在外部干扰下保持动能较长时间[16,17,18]。这意味着任何宏观碰撞或撞击都可能改变它们的运动状态或甚至导致破碎[19,20,21]。然而，在空间捕获任务中物理接触是不可避免的，这使得目标容易发生轨迹偏离或破裂，可能导致捕获系统损坏、捕获过程失败或系统故障[22,23]。因此，柔顺接触和约束是空间捕获任务的基本要求[24,25,26]。

目前，空间捕获的实施主要依赖于两种基本类型的操作设备：空间操纵器和系绳[27,28,29]，如图1所示。空间操纵器既可以作为空间捕获设备（称为空间夹持器）的姿态执行器，也可以作为捕获系统的组成部分，例如基于双臂的捕获系统和基于可部署操纵器的大规模空间夹持器[30,31,32]。系绳通常用于专用捕获设备中，包括网格[33,34,35,36]、鱼叉[37]和投射物[38]，使捕获航天器能够在长距离内拖曳大型目标，如废弃卫星、火箭碎片和小行星碎片。刘等人[39]提出了一种基于仿生原理和折纸技术的用于大型目标的空间夹持器，具有出色的展开比和高柔顺性。Delisle等人[40]开发了一种用于捕获立方体卫星的混合柔顺捕获系统，该系统结合了主动直线执行器和阻抗控制器与被动柔顺机制，通过长时间接触实现目标捕获。受折纸运动学的启发，袁等人[41]开发了一种基于可部署环形机制的双稳态空间夹持器，通过双稳态转换实现目标的形式闭合捕获。夏等人[42]借鉴了扁虫的皮肌囊结构，使用磁流变流体设计了一种具有可调刚度的柔性空间夹持器。徐等人[43]设计了一种基于弯曲-可部署剪刀机制的空间夹持器，表现出高适应性和可靠性。王等人[44]提出了一种可编程的空间折纸捕获机制，可以形成可开闭的封闭空间以限制空间碎片。齐等人[45]研究了平行机构中运动螺旋系统的重构，并引入了一种可折叠的夹持型捕获机制。刘等人[46]设计了一种基于柔性结构双稳态特性的捕获夹持器，通过接触冲击实现状态转换和柔顺抓取，从而提高了捕获效率和接触安全性。

此外，一些最初为地面环境设计的夹持器也可以为空间捕获提供有价值的参考[47,48,49,50,51]。Llanos等人[52]提出了一种基于系统评价和元分析优选报告项目（PRISMA）协议的系统性和全面性理论。肖等人[53]受到捕蝇草的启发，设计了一种具有高度可靠表面接触能力的柔性夹持器。陈等人[54]提出了一种仿生蜘蛛网捕获夹持器，通过特殊布置将柔性电缆的张力转化为柔性自恢复结构上的聚集力，从而实现可变刚度和自适应抓取。杨等人[55]提出了一种双稳态柔性夹持器，并构建了一张张力电缆网，增强了夹持器的能量屏障和抓取能力。张等人[56]介绍了一种具有可编程性和五种抓取模式的气动驱动折纸夹持器，适用于不同的应用场景。金等人[57]提出了一种用于真空驱动夹持器的计算、设计和制造框架，降低了柔顺夹持器的设计和制造成本。蔡和唐[58]设计了一种基于Fin Ray效应的双稳态软夹持器，适用于多种抓取需求。徐等人[59]使用形状记忆合金（SMA）开发了一种可调恒力夹持器，适用于高精度微组装任务。王等人[60]利用SMA构建了夹持器的手指关节，实现了对可变形物体的抓取。谢等人[61]设计了一种受章鱼触手行为启发的柔性夹持器，能够在宽广范围内移动、感知和抓取。Ruotolo等人[62]受到壁虎的启发，开发了一种具有更高力量容量的多指夹持器。Kodama等人[63]基于Euler带理论设计了一种藤本状动态夹持器，能够通过包裹来抓取物体。Mouazé和Birglen[64]提出了一种具有嵌入式双稳态机制的欠驱动夹持器，特别适合抓取软物体同时将其变形降到最低。Firouzeh等人[65]研究了一种用于无人机的被动夹持器，该夹持器利用撞击能量进行抓取。Zi等人[66]受到甲虫爪子的启发，开发了一种适用于攀爬地质表面的夹持器，这对于小行星捕获和地外行星探索都具有重要意义。

在空间捕获技术的背景下，许多技术方法可能存在兼容性问题，例如刚性夹持器与柔顺抓取要求之间的兼容性问题[67,68,69]、软夹持器在接触过程中的磨损和断裂问题[70,71,72,73]，以及流体驱动夹持器的泄漏或故障问题[74,75,76]。电缆是一种简单可靠的工程结构，在航空航天工程中被广泛使用，例如作为机械设备的驱动绳索或制造系绳和飞行网[77,78,79]。杨等人[80]提出了一种电缆驱动的分段操纵器设计方法，并建立了运动学分析模型。刘等人[81]提出了一种多段电缆驱动的空间捕获机器人，并建议可以使用在轨三维制造技术进行制造。赵等人[82]使用多个3-RRU并行机构构建了一种可部署和可重构的桁架型空间夹持器，通过电缆控制机构的变形和夹持器的抓取动作。杨等人[83]受到海葵的启发，设计了一种由多个电缆驱动的连续结构组成的多触手夹持器，用于柔顺和动态捕获。这些研究案例表明，电缆通常仅作为力传输介质使用，因此它们的低质量和高柔顺性没有得到充分利用，可能会引入定位、拖曳和高精度控制的风险和挑战。因此，卫星平台必须提高控制系统的准确性和鲁棒性，这反过来又增加了任务成本。

实际上，张紧的电缆可以在保持柔顺性和灵活性的同时提供一定程度的弯曲刚性，而且这种刚性随着张力的增加而增加。因此，电缆可以作为空间夹持器的终端结构，提供可控的柔顺接触特性。关于这一概念，李等人[84]使用三根钢丝设计了一种空间夹持器来捕获特定目标，为某些废弃卫星的回收提供了重要的技术支持。江等人[85]基于弹性电缆的周向同步振荡原理开发了一种基于电缆网的空间夹持器，在捕获过程中提供了柔和的接触。杨等人[86]受到蜘蛛网的启发，提出了一种具有良好稳定性和适应性的网状飞行夹持器。Bamert等人[87]在无人机平台上构建了一种使用电缆的捕获机制，代表了另一种将电缆作为终端捕获结构的案例，能够快速稳定地抓取杆状物体。郭等人[88]设计了一种基于管状结构的柔性夹持器，该结构在电压驱动下可以卷曲，通过卷曲运动实现多个目标的缠结抓取。杨等人[89]提出了一种先进的内窥镜设备，使用电缆操纵管状结构，使末端执行器能够实现可调节的刚性。

鉴于上述研究现状，本文对典型的空间捕获夹持器和其他适用的夹持器进行了定性分析和比较，从四个关键性能指标进行总结，即自适应性、柔顺性、可控性和重复性，如表1所示。自适应性反映了夹持器适应目标物体形状和大小变化的能力，而柔顺性则表征了其实现柔和接触和约束的能力。这两个属性可以分别看作是形式闭合和力闭合的不同表现形式。分析表明，现有的捕获技术和夹持器难以同时满足这些关键性能要求。因此，空间捕获技术仍然面临重大的固有挑战。

基于上述分析，本文提出了一种新型捕获机制的概念模型，称为单叶双曲面捕获机制（OSH-CM）。该设计基于单叶双曲面（OSH）的几何构造原理。其关键特点在于使用一组柔性电缆作为末端执行器。通过单一旋转驱动，电缆组经历同步张紧和扭转，从而在空间中形成类似OSH表面的包裹电缆网，实现目标区域的收敛。本文的主要贡献如下：
?提出了一种新的OSH构造原理，通过简单的旋转运动实现表面的展开和收缩，为捕获机制奠定了基础。基于这一原理，开发了OSH-CM，为空间捕获提供了一种柔顺、可控和可重复的终端捕获解决方案。
?系统研究了OSH-CM的数学原理、运动学模型和机械模型。从解析几何学的角度揭示了捕获机制和运动特性，为空间夹持器的设计和开发提供了有效的理论指导。

本文的其余部分组织如下。第2节介绍了OSH的数学构造原理，并提出了一种新的表面构造方法，随后正式定义了OSH-CM。第3节基于解析几何学建立了OSH-CM的运动学模型，并分析了其运动特性。第4节在捕获条件下发展了静态平衡模型，并研究了该机制在无负载条件以及捕获三个代表性物体（圆柱体、球体和四面体）时的机械行为。动态模拟进一步进行，以分析几种典型的复杂操作场景。第5部分介绍了空间夹持器原型的开发，并通过实验研究来验证该机制的抓取能力和柔顺特性。第6部分探讨了OSH-CM的更广泛应用方法和前景，额外的原型实验展示了其多功能性。最后，在第7部分得出结论。

### 数学原理
本文考虑的OSH是一种旋转曲面，形状类似于沙漏，其特征是中间部分较窄，两端开放。该曲面 memiliki 一个旋转轴（称为中心轴）。垂直于中心轴的平面（称为法线平面）与曲面相交，形成标准的圆形曲线（称为截面圆）。最小的截面圆是腰部圆，相应的法线平面被定义为...

### 运动特性分析
为了准确描述OSH-CM的运动，并揭示其运行过程中表现出的运动特性和规律，本节建立了一个参数化的运动学模型。基于该模型，进一步进行了验证和运动特性分析。该模型以可旋转组件的旋转角度作为输入，以OSH的几何特性（通过包络缆网近似表示）作为输出。

### 机械分析
为了准确描述OSH-CM在抓取过程中的机械行为，本节建立了一个静态抓取状态模型，包括未加载状态模型、圆柱体抓取模型、球体抓取模型和方形棱柱抓取模型。机械模型以可旋转组件的旋转角度δ作为输入，以整体受力状态作为输出。详细的建模过程和结果在附录B中提供，所有参数及其...

### 原型实验
本节通过开发空间夹持器及相应的实验，验证了OSH-CM的可行性和柔顺抓取特性。所开发的原型被命名为OSH-Gripper，如图8(a)所示。
OSH-CM的固定框架具有良好的拓扑适应性。因此，设计了一种可展开的支持结构，使用304不锈钢销实现回转关节，达到了0.4的展开比率。

### 应用前景
OSH-CM是一种创新的抓取机制。尽管最初是为空间抓取应用而提出的，但其有利的抓取特性和独特的工作原理也表明其在其他领域具有潜在的应用价值。理论上，OSH-CM涉及的材料选择和制造过程具有很高的灵活性。对于弹性缆网来说，使用杨氏模量较低的缆绳是一个直接的解决方案；或者，也可以将弹性元件与高刚性缆绳结合使用（例如...

### 结论
本文研究了一种基于单叶双曲面构建原理的新型抓取机制OSH-CM，并探讨了其在空间抓取技术中的应用潜力。受单叶双曲面的直线构造方法的启发，OSH-CM使用缆绳作为生成线。通过固定每根缆绳的一端并旋转另一端，缆绳集合在空间中协调收缩，形成一个可重构的单叶双曲面缆网。

### 作者贡献声明
- 蒋媛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，资金获取，概念化。
- 赵永盛：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，概念化。
- 林晓龙：验证，调查，数据管理。
- 顾倩倩：撰写 – 原稿，可视化，调查。
- 韩蒙：撰写 – 审稿与编辑，监督。
- 韩波：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取。