CN102294690A - 面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置 - Google Patents

面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置 Download PDF

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面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置。大容差对接捕获装置，具体涉及面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置。本发明为了解决现有锥杆式捕获机构不能捕获空间自由漂浮的小惯量无动力目标，异体同构周边式对接机构容差范围小的问题。本发明包括捕获机构和接口机构，捕获机构安装在主动卫星或空间机械臂的腕关节上，接口机构安装在被捕获卫星或被捕获载荷上。本发明用于捕获空间自由漂浮的小惯量无动力目标或进行异体同构周边式对接。

Description

面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置
技术领域
本发明涉及大容差对接捕获装置，具体涉及面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置。
背景技术
现有空间对接捕获机构大多采用刚性捕获原理，主要有异体同构周边式对接机构和锥杆式对接机构两大类，锥杆式对接机构是常用的一种空间对接机构，其容差范围较之于异体同构周边式对接机构要大很多，但锥杆式的捕获方式需要依赖两对接飞行器之间的动能碰撞才能实现对接，捕获过程中的碰撞和冲击较大，不适合用于对空间自由漂浮的小惯量无动力目标的捕获，然而虽然异体同构周边式对接机构能实现主动捕获，但在相同外形尺寸的情况下，其容差范围要小很多。
发明内容
本发明为解决现有锥杆式捕获机构不能捕获空间自由漂浮的小惯量无动力目标，异体同构周边式对接机构容差范围小的问题，进而提出一种面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括捕获机构和接口机构，所述捕获机构包括三根手指、第一支撑壳体、第二支撑壳体、第三支撑壳体、手指安装平台、滚珠丝杠、滚珠螺母、第一安装平台、端盖、第二安装平台、第一换向齿轮、三个连接关节、三个转动限位关节、外层防护壳、驱动组件、三个捕获电气连接组件、定位锥槽、三个直线轴承滑块、三个直线轴承导柱支座和三个直线轴承导柱，所述第一支撑壳体、第二支撑壳体、第三支撑壳体由下至上依次插装在外层防护壳内，所述第一安装平台插装在第三支撑壳体内，三个直线轴承导柱支座均布设置在第三支撑壳体、第二支撑壳体的内壁上，每个直线轴承导柱支座上对应固定安装一个直线轴承导柱，每个直线轴承滑块对应与一个直线轴承导柱滑动连接，所述手指安装平台固定安装在三个直线轴承滑块上，所述滚珠螺母插装在手指安装平台内，所述滚珠丝杠的上部插装在滚珠螺母内，且滚珠丝杠的上端通过轴承安装在第一安装平台上，所述滚珠丝杠的下部通过轴承安装在第二安装平台上，所述滚珠丝杠的下端安有第一换向齿轮，所述驱动组件固定安装在第二安装平台上，所述驱动组件用于驱动第一换向齿轮转动，每根手指的根部端通过一个连接关节安装在手指安装平台上，每个转动限位关节对应插装在一个手指上的轨迹槽中，且三个转动限位关节均安装在第三支撑壳体上，所述定位锥槽安装在外层防护壳的上端面上，所述端盖安装在外层防护壳的上端面上，每个捕获电气连接组件的下端安装在第一安装平台上，所每个捕获电气连接组件的上端穿过定位锥槽，所述接口机构包括接口主体、定位锥和三个接口电气连接组件，所述定位锥安装在接口主体的下端面上，三个接口电气连接组件安装接口主体的下端面上，所述接口主体的下端面上开有三个楔形槽，所述手指的指尖为楔形，捕获机构与接口机构对接后，三根手指的指尖可与接口主体下端面上的三个楔形槽对应闭合，所述定位锥可与定位锥槽对应闭合，三个捕获电气连接组件可与三个接口电气连接组件对应闭合。
本发明的有益效果是：本发明利用三个开有轨迹槽的手指，通过丝杠螺母机构将转动转化为手指安装平台的直线运动，通过限位轴与手指上轨迹槽的配合实现手指的开合以及直线往复运动，并且使对捕获接口的楔形槽开口角度最大化，从而使该对接捕获装置的容差范围达到最大，本发明中的对接捕获装置的驱动和控制简单，仅仅采用一个驱动组件就完成了对接捕获以及拉近锁紧，本发明中对接捕获装置采用主动捕获方式，将完全主动捕获与大容差完全结合，增加了空间对接捕获的可靠性和成功率，本发明能捕获空间自由漂浮的小惯量无动力目标，且对接机构容差范围大。
附图说明
图1是捕获机构的主剖视图，图2是捕获机构的整体机构示意图，图3是接口机构的主剖视图，图4是图3中C-C向的剖视图，图5是接口机构的整体结构示意图，图6是手指的主视图，图7是本发明对接时的主剖视图，图8是本发明捕获时的主剖视图，图9是本发明捕获完毕后的主剖视图，图10是图9中A-A向的剖视图，图11是图9中B-B向的剖视图，图12是本发明安装在卫星上时的工作示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置包括捕获机构1和接口机构2，所述捕获机构1包括三根手指1-1、第一支撑壳体1-2、第二支撑壳体1-3、第三支撑壳体1-4、手指安装平台1-5、滚珠丝杠1-6、滚珠螺母1-7、第一安装平台1-8、端盖1-9、第二安装平台1-10、第一换向齿轮1-11、三个连接关节1-12、三个转动限位关节1-13、外层防护壳1-14、驱动组件1-15、三个捕获电气连接组件1-16、定位锥槽1-17、三个直线轴承滑块1-20、三个直线轴承导柱支座1-21和三个直线轴承导柱1-22，所述第一支撑壳体1-2、第二支撑壳体1-3、第三支撑壳体1-4由下至上依次插装在外层防护壳1-14内，所述第一安装平台1-8插装在第三支撑壳体1-4内，三个直线轴承导柱支座1-21均布设置在第三支撑壳体1-4、第二支撑壳体1-3的内壁上，每个直线轴承导柱支座1-21上对应固定安装一个直线轴承导柱1-22，每个直线轴承滑块1-20对应与一个直线轴承导柱1-22滑动连接，所述手指安装平台1-5固定安装在三个直线轴承滑块1-20上，所述滚珠螺母1-7插装在手指安装平台1-5内，所述滚珠丝杠1-6的上部插装在滚珠螺母1-7内，且滚珠丝杠1-6的上端通过轴承安装在第一安装平台1-8上，所述滚珠丝杠1-6的下部通过轴承安装在第二安装平台1-10上，所述滚珠丝杠1-6的下端安有第一换向齿轮1-11，所述驱动组件1-15固定安装在第二安装平台1-10上，所述驱动组件1-15用于驱动第一换向齿轮1-11转动，每根手指1-1的根部端通过一个连接关节1-2安装在手指安装平台1-5上，每个转动限位关节1-13对应插装在一个手指1-1上的轨迹槽中，且三个转动限位关节1-13均安装在第三支撑壳体1-4上，所述定位锥槽1-17安装在外层防护壳1-14的上端面上，所述端盖1-9安装在外层防护壳1-14的上端面上，每个捕获电气连接组件1-16的下端安装在第一安装平台1-8上，每个捕获电气连接组件1-16的上端穿过定位锥槽1-17，所述接口机构2包括接口主体2-1、定位锥2-2和三个接口电气连接组件2-3，所述定位锥2-2安装在接口主体2-1的下端面上，三个接口电气连接组件2-3安装均在接口主体2-1的下端面上，所述接口主体2-1的下端面上开有三个楔形槽2-4，所述手指1-1的指尖为楔形，捕获机构1与接口机构2对接后，三根手指1-1的指尖可与接口主体2-1下端面上的三个楔形槽2-4对应闭合，所述定位锥2-2可与定位锥槽1-17对应闭合，三个捕获电气连接组件1-16可与三个接口电气连接组件2-3对应闭合。本实施方式中的捕获机构1安装在主动卫星或空间机械臂的腕关节上，接口机构2安装在被捕获卫星或被捕获载荷上，当驱动组件1-15通过滚珠丝杠1-6、滚珠螺母1-7带动手指安装平台1-5向上运动时，此过程是实现三根手指1-1展开形成捕获包络状态或实现对目标的释放，相反，当驱动组件1-15通过滚珠丝杠1-6、滚珠螺母1-7带动手指安装平台1-5向下运动时，则是实现捕获过程；每根手指1-1上的轨迹槽由下至上分为展开段、过渡段和直线运动段，这样可以通过一个驱动单元就能实现三个手指1-1同步伸出、展开或者闭合、拉入的操作，每根手指1-1的指尖与接口本体2-1上的楔形槽2-4的形状一致，使得三根手指1-1完成闭合时就能实现对接口机构2的粗定位。
具体实施方式二：如图1所示本实施方式所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置的驱动组件1-15包括电机断电制动器1-15-1、直流无刷电机1-15-2、谐波减速器1-15-3和第二换向齿轮1-15-4，所述直流无刷电机1-15-2固定安装在第二安装平台1-10上，所述直流无刷电机1-15-2的输出端与谐波减速器1-15-3的输入端连接，所述谐波减速器1-15-3的输出轴与第二换向齿轮1-15-4连接，所述第二换向齿轮1-15-4与第一换向齿轮1-11啮合。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1所示，本实施方式所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置的捕获机构1还包括螺母有限浮动安装弹簧端盖1-18和螺母有限浮动安装弹簧1-19，所述螺母有限浮动安装弹簧1-19套装在滚动螺母1-7上，所述螺母有限浮动安装弹簧端盖将螺母有限浮动安装弹簧密封在滚动螺母1-7与手指安装平台1-5的内壁之间。本实施方式使滚珠螺母1-7具有一定的调心和缓冲能力，即使在存在偏载和冲击的情况下，仍能使得滚珠螺母1-7受载均匀，不会因冲击而发生损坏，增加了滚珠螺母1-7的使用寿命。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：如图1所示，本实施方式所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置的每个连接关节1-12包括转动关节轴1-12-1和两个连接关节滚子轴承1-12-2，所述转动关节轴1-12-1的中部插装在手指1-1的根部端内，所述转动关节轴1-12-1的两端通过连接关节滚子轴承1-12-2安装在手指安装平台1-5上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：如图1所示，本实施方式所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置的转动限位关节1-13包括转动限位轴1-13-1和两个转动限位关节轴承1-13-2，所述转动限位轴1-13-1的中部插装在手指1-1上轨迹槽内，所述转动限位轴1-13-1的两端通过转动限位关节轴承1-13-2安装在第三支撑壳体1-4上。本实施方式将转动限位轴1-13-1与手指1-1的轨迹槽之间的滑动摩擦转化为滚动摩擦，减小了能量损耗和轨迹槽的磨损，增加了手指1-1的使用寿命。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：如图1所示，本实施方式所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置的对接捕获装置还包括连接法兰1-23，所述连接法兰1-23固定安装在外层防护壳1-14的下端面上。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
工作原理
将本发明的捕获机构1安装在主动卫星上，将本发明的接口机构2安装在目标卫星上，对接捕获时，先控制主动卫星机动靠近目标卫星，然后捕获机构1的三根手指1-1展开形成包络空间，接着继续控制主动卫星机动靠近目标卫星，使捕获机构1的包络空间完成对接口机构2的包络，实现两卫星之间的对接。
当本发明安装在空间大型机械臂上作为空间大型机械臂的末端执行器使用时，将本发明的捕获机构1安装在机械臂的腕关节上，将机械臂的肩关节安装在大型空间平台(空间站、空间实验室等)上，首先利用机械臂将捕获机构1送到靠近接口机构2的位置，接着展开捕获机构1的三根手指1-1形成包络捕获空间，然后利用机械臂继续将捕获机构1定位到满足捕获接口机构2容差范围的位置处，即接口机构2能顺利进入捕获机构1的包络空间内，最后捕获机构1完成对载荷上接口机构2的捕获，从而实现机械臂对载荷的捕获。捕获机构1的工作原理如下：捕获时，先打开电机断电制动器1-15-1，然后启动直流无刷电机1-15-2，直流无刷电机1-15-2通过谐波减速器1-15-3带动第二换向齿轮1-15-4，通过第二换向齿轮1-15-4与第一换向齿轮1-11的啮合带动滚珠丝杠1-6转动，滚珠丝杠1-6通过滚珠螺母1-7带动手指安装平台1-5直线运动，通过直流无刷电机1-15-2的正、反转可以实现手指安装平台1-5直线向上或者向下运动，当手指安装平台1-5直线向上运动时，由于三个手指1-1均布设置在手指安装平台1-5上，因此三个手指1-1与手指安装平台1-5整体向上运动，而手指1-1上的轨迹槽受到固定安装在第三支撑壳体1-4上的转动限位轴1-13-1的约束，因此，手指1-1首先竖直向上运动，伸出端盖1-9，当手指1-1上的过渡段完全经过转动限位轴1-13-1后，捕获机构1展开形成包络捕获空间；当捕获机构1展开形成包络捕获空间后，手指安装平台1-5直线向下运动，此时运动过程与捕获机构1展开过程相反，首先是三个手指1-1不断闭合，并且手指1-1顶端逐渐进入接口机构2上与之一一对应的楔形槽2-4内，当三个手指1-1的过渡段同时经过转动限位轴1-13-1时，此时三个手指1-1的之间到达接口机构2中的接口主体2-1上的楔形槽2-4底部，实现对对接口的粗定位，，然后直流无刷电机1-15-2继续带动手指安装平台1-5向下运动，逐渐拉近接口机构2与捕获机构1的轴向距离，直到接口机构2上的定位锥2-2与捕获机构上的定位锥槽1-17闭合，且三个接口电气连接组件2-3与捕获机构1上的三个捕获电气连接组件1-16实现一一对应闭合连接，此时整个对接捕获过程最终完成。

Claims (6)

1.面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置，其特征在于：所述对接捕获装置包括捕获机构(1)和接口机构(2)，所述捕获机构(1)包括三根手指(1-1)、第一支撑壳体(1-2)、第二支撑壳体(1-3)、第三支撑壳体(1-4)、手指安装平台(1-5)、滚珠丝杠(1-6)、滚珠螺母(1-7)、第一安装平台(1-8)、端盖(1-9)、第二安装平台(1-10)、第一换向齿轮(1-11)、三个连接关节(1-12)、三个转动限位关节(1-13)、外层防护壳(1-14)、驱动组件(1-15)、三个捕获电气连接组件(1-16)、定位锥槽(1-17)、三个直线轴承滑块(1-20)、三个直线轴承导柱支座(1-21)和三个直线轴承导柱(1-22)，所述第一支撑壳体(1-2)、第二支撑壳体(1-3)、第三支撑壳体(1-4)由下至上依次插装在外层防护壳(1-14)内，所述第一安装平台(1-8)插装在第三支撑壳体(1-4)内，三个直线轴承导柱支座(1-21)均布设置在第三支撑壳体(1-4)、第二支撑壳体(1-3)的内壁上，每个直线轴承导柱支座(1-21)上对应固定安装一个直线轴承导柱(1-22)，每个直线轴承滑块(1-20)对应与一个直线轴承导柱(1-22)滑动连接，所述手指安装平台(1-5)固定安装在三个直线轴承滑块(1-20)上，所述滚珠螺母(1-7)插装在手指安装平台(1-5)内，所述滚珠丝杠(1-6)的上部插装在滚珠螺母(1-7)内，且滚珠丝杠(1-6)的上端通过轴承安装在第一安装平台(1-8)上，所述滚珠丝杠(1-6)的下部通过轴承安装在第二安装平台(1-10)上，所述滚珠丝杠(1-6)的下端安有第一换向齿轮(1-11)，所述驱动组件(1-15)固定安装在第二安装平台(1-10)上，所述驱动组件(1-15)用于驱动第一换向齿轮(1-11)转动，每根手指(1-1)的根部端通过一个连接关节(1-2)安装在手指安装平台(1-5)上，每个转动限位关节(1-13)对应插装在一个手指(1-1)上的轨迹槽中，且三个转动限位关节(1-13)均安装在第三支撑壳体(1-4)上，所述定位锥槽(1-17)安装在外层防护壳(1-14)的上端面上，所述端盖(1-9)安装在外层防护壳(1-14)的上端面上，每个捕获电气连接组件(1-16)的下端安装在第一安装平台(1-8)上，每个捕获电气连接组件(1-16)的上端穿过定位锥槽(1-17)，所述接口机构(2)包括接口主体(2-1)、定位锥(2-2)和三个接口电气连接组件(2-3)，所述定位锥(2-2)安装在接口主体(2-1)的下端面上，每个接口电气连接组件(2-3)安装接口主体(2-1)的下端面上，所述接口主体(2-1)的下端面上开有三个楔形槽(2-4)，所述手指(1-1)的指尖为楔形，捕获机构(1)与接口机构(2)对接后，三根手指(1-1)的指尖可与接口主体(2-1)下端面上的三个楔形槽(2-4)对应闭合，所述定位锥(2-2)可与定位锥槽(1-17)对应闭合，三个捕获电气连接组件(1-16)可与三个接口电气连接组件(2-3)对应闭合。
2.根据权利要求1所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置，其特征在于：所述驱动组件(1-15)包括电机断电制动器(1-15-1)、直流无刷电机(1-15-2)、谐波减速器(1-15-3)和第二换向齿轮(1-15-4)，所述直流无刷电机(1-15-2)固定安装在第二安装平台(1-10)上，所述直流无刷电机(1-15-2)的输出端与谐波减速器(1-15-3)的输入端连接，所述谐波减速器(1-15-3)的输出轴与第二换向齿轮(1-15-4)连接，所述第二换向齿轮(1-15-4)与第一换向齿轮(1-11)啮合。
3.根据权利要求1所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置，其特征在于：所述捕获机构(1)还包括螺母有限浮动安装弹簧端盖(1-18)和螺母有限浮动安装弹簧(1-19)，所述螺母有限浮动安装弹簧(1-19)套装在滚动螺母(1-7)上，所述螺母有限浮动安装弹簧端盖将螺母有限浮动安装弹簧密封在滚动螺母(1-7)与手指安装平台(1-5)的内壁之间。
4.根据权利要求1所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置，其特征在于：每个连接关节(1-12)包括转动关节轴(1-12-1)和两个连接关节滚子轴承(1-12-2)，所述转动关节轴(1-12-1)的中部插装在手指(1-1)的根部端内，所述转动关节轴(1-12-1)的两端通过连接关节滚子轴承(1-12-2)安装在手指安装平台(1-5)上。
5.根据权利要求1所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置，其特征在于：所述转动限位关节(1-13)包括转动限位轴(1-13-1)和两个转动限位关节轴承(1-13-2)，所述转动限位轴(1-13-1)的中部插装在手指(1-1)上轨迹槽内，所述转动限位轴(1-13-1)的两端通过转动限位关节轴承(1-13-2)安装在第三支撑壳体(1-4)上。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述面向空间大型机械臂和交会对接的大容差对接捕获装置，其特征在于：所述对接捕获装置还包括连接法兰(1-23)，所述连接法兰(1-23)固定安装在外层防护壳(1-14)的下端面上。
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