CN102490181B

CN102490181B - 用于空间在轨模块更换的抓持机构

Info

Publication number: CN102490181B
Application number: CN201110371842.4A
Authority: CN
Inventors: �田�浩; 赵阳; 王有懿; 游斌弟; 马超
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2031-11-21
Also published as: CN102490181A

Abstract

用于空间在轨模块更换的抓持机构，它涉及一种空间模块更换的抓持机构。本发明为了解决空间在轨模块更换抓持机构存在结构复杂、功能单一、体积庞大、质量较重、定位精度不高和不灵活的问题。步进电机安装在主动架体内，主动架体的上端面上连接有过渡盘，过渡盘的上端面上设有锥形定位体，锥形定位体外部罩着被动架体，锥形定位体的下部对称装有两个径向布置的定位柱，螺杆上端与锥形定位体螺纹连接，螺杆上连接有楔形滑块，螺杆的下端与步进电机连接，锥形定位体上开有第二豁口，第二豁口的顶部卡装有管柱，输送管与管柱的沉孔连通，管柱的斜面与楔形滑块相抵靠，挡片与锥形定位体之间设置有弹簧。本发明用于航天器在轨模块服务和在轨连接任务中。

Description

用于空间在轨模块更换的抓持机构

技术领域

本发明涉及一种空间模块更换的抓持机构，具体涉及一种用于空间在轨模块更换的抓持机构，属于航空航天技术领域。

背景技术

随着21世纪世界航天事业的迅速发展和对太空探索的不断深入，诸如卫星捕获回收、在轨装配维修、科学实验载荷照料等空间在轨技术逐渐受到各国关注，因而使得在轨捕获(OOC，On-Orbit Capture)技术成为在轨服务(OOS，On-Orbit Servicing)中的一项必须解决的关键技术。

在轨捕获技术是指在有人或无人参与的情况下对空间目标实施抓捕的技术。早在20世纪70年代到80年代，随着航天任务的不断拓展，1984年美国首次以航天飞机为在轨平台，在宇航员参与的情况下，利用空间机械臂RMS成功捕获回收故障状态的“太阳峰年”卫星，这标志着在轨捕获技术首次应用到在轨服务领域。此后，美国多次以航天飞机为平台、以空间机械臂为捕获手段完成了一系列卫星捕获及释放任务。空间机械臂作为捕获装置，具有适应微重力、高温差、高辐射太空环境的作业能力。航天飞机的机械臂还承担了多次外太空精确操纵任务。例如，将航天飞机有效载荷释放进入预定轨道，帮助航天员对发生故障的航天器进行维修等。在国际空间站上，它可以帮助宇航员完成大型空间结构的搬运和组装，协助完成航天飞机与空间站的对接和分离，营救与释放轨道卫星以及在轨补充燃料或处理有害物体，完成日常维护、修理和检查任务等。随着航天任务的增多，各国航天机构逐渐意识到在轨捕获是在轨服务的一项重要技术基础，即对于大多数在轨服务操作而言，首先要解决操作目标的抓捕问题。目前现有的空间在轨模块更换抓持机构存在结构复杂、功能单一、体积庞大、质量较重、定位精度不高、不够灵活等缺点，因而不能方便、有效、快捷地完成日益繁多的航天器在轨模块服务和在轨连接任务。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的空间在轨模块更换抓持机构存在结构复杂、功能单一、体积庞大、质量较重、定位精度不高和不灵活的问题，进而提供一种用于空间在轨模块更换的抓持机构。

本发明的技术方案是：用于空间在轨模块更换的抓持机构包括主动机构和被动架体，所述主动机构包括主动架体、步进电机、过渡导向构件、定位销、螺杆、锥形定位体、楔形滑块、联轴器、两列轴承、两个定位柱、两个输送管、两个弹簧、两个管柱和两个挡片；过渡导向构件包括过渡盘和两个导向体，过渡盘的上端面上对称设置有两个导向体；步进电机安装在主动架体内，步进电机的输出端穿出主动架体，主动架体的上端面上固定连接过渡导向构件的过渡盘，过渡盘的上端面上设置有锥形定位体，锥形定位体与过渡盘通过定位销定位，锥形定位体外部罩着被动架体，被动架体心部的圆锥形孔与锥形定位体的顶部配合，锥形定位体的下部对称安装有两个径向布置的定位柱，被动架体的环形裙壁上对称开有两个第一豁口，每个第一豁口均沿环形裙壁的母线方向开设，定位柱的外端卡在第一豁口处，螺杆设置在锥形定位体内，螺杆的上端与锥形定位体顶端的孔之间设有一轴套，螺杆上螺纹连接有楔形滑块，过渡导向构件的两个导向体分列在楔形滑块的前后两侧，两个导向体之间形成楔形滑块的轴向滑道，螺杆的下部穿过过渡导向构件，螺杆与过渡盘之间设置有两列轴承，螺杆的下端通过联轴器与步进电机的输出端连接，锥形定位体上开有两个对称布置的第二豁口，每个第二豁口均沿锥形定位体的环形外壁的母线方向开设，每个第二豁口的顶部卡装有一个管柱，每个管柱上均开有轴向沉孔，每个管柱的下方连接有一个输送管，输送管与管柱的沉孔连通，管柱的内端面为斜面，管柱的斜面与楔形滑块相抵靠，每个管柱的内端安装有一个挡片，挡片与锥形定位体之间设置有一个弹簧，弹簧套装在管柱上，被动架体上开有两个径向配合孔，径向配合孔的开设位置与管柱相对应。

本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明的抓持机构结构紧凑，体积小，质量小，工艺性好，实现了精确的捕获定位，稳定性高，定位精度高，锁紧与输液或输电管路合二为一，实现了安全可靠的对接过程，能够方便、有效、快捷地完成日益繁多的航天器在轨模块服务和在轨连接任务。具体地说，本发明采用步进电机内置形式结构紧凑，节约了空间；本发明主要用于在轨模块服务和在轨连接，其工作方式为：一、作为机械臂末端执行器，进行在轨目标的捕获抓取；二、作为在轨模块的连接器，实现模块与航天器的连接。本发明的楔形滑块与螺杆以螺纹方式相配合，楔形滑块通过螺杆实现直线运动，迫使两个管柱沿径向同步外移，并与径向配合孔完成配合，再连同定位柱一起实现精确定位。此外，该机构对接采用被动架体心部的圆锥形孔、两个第一豁口及楔形滑块直线运动作为导向，避免了运动过程容易卡死，具有较强的纠偏能力，且不受制造误差影响，实现了对接机构的设计目标要求，保证了航天器在轨连接过程的可靠性和安全性。在自主对接过程中位置控制精确，满足了气液接口要求。本发明采用步进电机作为驱动装置，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移或线位移的执行机构，步进电机驱动控制性能好，精确地控制电枢转角和转速，有良好的缓冲定位性能，适用于运动轨迹复杂、要求动作精度高和程序复杂的末端执行系统。

附图说明

图1是本发明的用于空间在轨模块更换的抓持机构的立体半剖视图，图2是本发明的用于空间在轨模块更换的抓持机构的俯视剖视图，图3是图2的A-A剖视图，图4是图2的B-B剖视图，图5是图2的C处放大图，图6是图3的D处放大图，图7是本发明的用于空间在轨模块更换的抓持机构的分解图，图8是锥形定位体的立体示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式的用于空间在轨模块更换的抓持机构包括主动机构和被动架体8，所述主动机构包括主动架体1、步进电机2、过渡导向构件3、定位销5、螺杆9、锥形定位体10、楔形滑块13、联轴器14、两列轴承4、两个定位柱6、两个输送管7、两个弹簧12、两个管柱15和两个挡片16；所述过渡导向构件3包括过渡盘3-1和两个导向体3-2，过渡盘3-1的上端面上对称设置有两个导向体3-2；步进电机2安装在主动架体1内，步进电机2的输出端穿出主动架体1，主动架体1的上端面上固定连接过渡导向构件3的过渡盘3-1，过渡盘3-1的上端面上设置有锥形定位体10，锥形定位体10与过渡盘3-1通过定位销5定位，锥形定位体10外部罩着被动架体8，被动架体8心部的圆锥形孔与锥形定位体10的顶部配合，锥形定位体10的下部对称安装有两个径向布置的定位柱6，被动架体8的环形裙壁上对称开有两个第一豁口8-1，每个第一豁口8-1均沿环形裙壁的母线方向开设，定位柱6的外端卡在第一豁口8-1处，螺杆9设置在锥形定位体10内，螺杆9的上端与锥形定位体10顶端的孔之间设有一轴套，螺杆9上螺纹连接有楔形滑块13，过渡导向构件3的两个导向体3-2分列在楔形滑块13的前后两侧，两个导向体3-2之间形成楔形滑块13的轴向滑道，螺杆9的下部穿过过渡导向构件3，螺杆9与过渡盘3-1之间设置有两列轴承4，螺杆9的下端通过联轴器14与步进电机2的输出端连接，锥形定位体10上开有两个对称布置的第二豁口10-1，每个第二豁口10-1均沿锥形定位体10的环形外壁的母线方向开设，每个第二豁口10-1的顶部卡装有一个管柱15，每个管柱15上均开有轴向沉孔，每个管柱15的下方连接有一个输送管7，输送管7与管柱15的沉孔连通，管柱15的内端面为斜面，管柱15的斜面与楔形滑块13相抵靠，每个管柱15的内端安装有一个挡片16，挡片16与锥形定位体10之间设置有一个弹簧12，弹簧12套装在管柱15上，被动架体8上开有两个径向配合孔8-2，径向配合孔8-2的开设位置与管柱15相对应。

本实施方式中的步进电机的作用是提供动力源；联轴器的作用是将步进电机的旋转运动和扭矩传递给螺杆；轴承的作用是支撑螺杆；螺杆用于驱动楔形滑块在两个导向体之间上下运动，并将步进电机的旋转运动转换为楔形滑块的直线运动；管柱斜面与楔形滑块相抵靠的作用是在螺杆驱动楔形滑块上下运动时，楔形滑块的两侧面对管柱施加推力，使管柱沿径向向外侧运动；当管柱外端与径向配合孔完成配合后通过管柱进行输液；弹簧缠绕在管柱上的目的在于，提供张力使管柱沿径向向内侧运动，解除管柱外端与径向配合孔的配合。

具体实施方式二：结合图2、图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的每个管柱15的外端均为圆锥形，径向配合孔8-2为锥形孔。如此设置，便于配合使用。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2、图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的用于空间在轨模块更换的抓持机构还包括两个密封圈11，每个管柱15的外端均套有一个密封圈11。如此设置，实现了管柱与径向配合孔的密封。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

工作过程：在主动连接机构和被动架体连接过程中，锥形定位体10上径向布置的两个定位柱6与被动架体8上的第一豁口8-1配合，同时被动架体8心部的圆锥形孔与锥形定位体10的顶部配合，两者共同起到定位作用。此时，启动步进电机2，带动螺杆9转动，迫使楔形滑块13沿两个导向体3-2所组成的轴向滑道向上运动，通过楔形滑块13的两个斜面驱动两个管柱15径向外移，直至与被动架体8上的径向配合孔8-2相配合，随后即可完成输液工作。最终实现主动连接机构和被动架体的接合。当本发明的主动连接机构和被动架体分离时，启动步进电机2，步进电机2反方向旋转带动楔形滑块沿两个导向体3-2所组成的轴向滑道向下运动，管柱15在弹簧力作用下沿径向内移，主动飞行器机械臂随即收回抓持机构，进而实现主动连接机构和被动架体分离。

Claims

1.一种用于空间在轨模块更换的抓持机构，其特征在于：用于空间在轨模块更换的抓持机构包括主动机构和被动架体（8），所述主动机构包括主动架体（1）、步进电机（2）、过渡导向构件（3）、定位销（5）、螺杆（9）、锥形定位体（10）、楔形滑块（13）、联轴器（14）、两列轴承（4）、两个定位柱（6）、两个输送管（7）、两个弹簧（12）、两个管柱（15）和两个挡片（16）；所述过渡导向构件（3）包括过渡盘（3-1）和两个导向体（3-2），过渡盘（3-1）的上端面上对称设置有两个导向体（3-2）；步进电机（2）安装在主动架体（1）内，步进电机（2）的输出端穿出主动架体（1），主动架体（1）的上端面上固定连接过渡导向构件（3）的过渡盘（3-1），过渡盘（3-1）的上端面上设置有锥形定位体（10），锥形定位体（10）与过渡盘（3-1）通过定位销（5）定位，锥形定位体（10）外部罩着被动架体（8），被动架体（8）心部的圆锥形孔与锥形定位体（10）的顶部配合，锥形定位体（10）的下部对称安装有两个径向布置的定位柱（6），被动架体（8）的环形裙壁上对称开有两个第一豁口（8-1），每个第一豁口（8-1）均沿环形裙壁的母线方向开设，定位柱（6）的外端卡在第一豁口（8-1）处，螺杆（9）设置在锥形定位体（10）内，螺杆(9)的上端与锥形定位体(10)顶端的孔之间设有一轴套，螺杆（9）上螺纹连接有楔形滑块（13），过渡导向构件（3）的两个导向体（3-2）分列在楔形滑块（13）的前后两侧，两个导向体（3-2）之间形成楔形滑块（13）的轴向滑道，螺杆（9）的下部穿过过渡导向构件（3），螺杆（9）与过渡盘（3-1）之间设置有两列轴承（4），螺杆（9）的下端通过联轴器（14）与步进电机（2）的输出端连接，锥形定位体（10）上开有两个对称布置的第二豁口（10-1），每个第二豁口（10-1）均沿锥形定位体（10）的环形外壁的母线方向开设，每个第二豁口（10-1）的顶部卡装有一个管柱（15），每个管柱（15）上均开有轴向沉孔，每个管柱（15）的下方连接有一个输送管（7），输送管（7）与管柱（15）的沉孔连通，管柱（15）的内端面为斜面，管柱（15）的斜面与楔形滑块（13）相抵靠，每个管柱（15）的内端安装有一个挡片（16），挡片（16）与锥形定位体（10）之间设置有一个弹簧（12），弹簧（12）套装在管柱（15）上，被动架体（8）上开有两个径向配合孔（8-2），径向配合孔（8-2）的开设位置与管柱（15）相对应。

2.根据权利要求1所述的用于空间在轨模块更换的抓持机构，其特征在于：每个管柱（15）的外端均为圆锥形，径向配合孔（8-2）为锥形孔。

3.根据权利要求2所述的用于空间在轨模块更换的抓持机构，其特征在于：用于空间在轨模块更换的抓持机构还包括两个密封圈（11），每个管柱（15）的外端均套有一个密封圈（11）。