CN103753588B - 用于空间操作的环抱式捕获机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间机械臂末端执行器的大容差捕获操作的环抱式捕获机构。本机构包括目标接口件，环抱机构、万向浮动调节机构、和导向拉紧机构。通过控制环抱机构的减速机转向来控制4个内侧是弧形面的扣板展开与闭合，以对目标接口件进行粗定位夹紧与释放；通过控制导向拉紧机构的减速机的转向来实现对万向浮动调节机构环抱机构的拉紧与释放。对环抱机构拉紧过程中会带动目标接口件与导向滑轨件用，进而实现对目标接口件的精定位，同时也会拉紧目标接口件。本发明用于空间目标飞行器的捕获，该机构的容差大，且结构简单紧凑，精度高，大大提高了空间应用的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于空间操作的环抱式捕获机构，用于空间目标飞行器的捕捉，属于空间交会对接领域。
背景技术
现有空间机械臂末端执行器是比较复杂。为了完成对空间目标的捕获，空间机械臂末端执行器的捕获接口应具有高容差性。高容差，捕获容差越大，操作成功的概率就越大，对导航定位精度的要求就越低，节约控制时间。因此，空间大型机械臂的一个重要性能要求就是大容差。大容差的性能要求使得机械臂末端捕获机构对目标捕获完成之后，能实现对接口的完全定位和约束。现有空间机械臂末端执行器由多个环节组成，多个环节分别需要单独的驱动系统和控制系统，从而增加了末端执行器的机构和控制系统的复杂性，降低了空间应用的可靠性。该用于空间操作的环抱式捕获机构通过控制四个均布弧形扣板闭合运动对目标进行粗定位和夹紧，通过齿轮齿条机构对目标进行拉紧。通过导向弧形面对目标进行精确定位。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的空间机械臂末端执行器机构和控制系统复杂、降低了空间应用的可靠性的问题，而提供一种全新的结构简单、可靠的用于空间操作的环抱式捕获机构。
为解决上述技术问题本发明的构思是：
一种用于空间操作的环抱式捕获机构，它主要由减速机控制四个均布扣板展开与闭合，对目标进行捕获夹紧，从而对目标进行粗定位。有减速机驱动齿轮齿条机构带动万向浮动调节机构和环抱机构在导向滑轨内运动，从而对目标进行精确定位和拉紧。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种用于空间操作的环抱式捕获机构，包括目标接口件、环抱机构、万向浮动调节机构和导向拉紧机构；其特征在于：所述导向拉紧机构连接控制万向浮动调节机构、环抱机构和目标机构件，通过控制环抱机构的通电方向，可实现对目标接口件的粗定位夹紧与释放通过控制其通电方向，可实现对万向浮动调节机构、环抱机构及目标机构件的拉紧与释放，在拉紧过程中可对目标借口件进行精确定位。
所述目标接口件由一根细光杆的一端固定在一个小圆柱体而另一端固定在一个带倒圆角的大圆柱体构成，细光杆在环抱机构捕获过程中与环抱机构的四个扣板接触，在四个扣板闭合后，可以将细光杆粗定位与夹紧；小圆柱体限制四个扣板的位置，在将环抱机构向下拉紧过程中，防止目标接口件滑出；大圆柱体下侧边到圆角形成的弧面与导向滑轨件上方的弧形环面可以配合，在目标接口件向下运动过程中，导向滑轨件上方的两个弧形面可以对目标接口件进行精确定位。
所述环抱机构由上减速机、滚珠丝杠、上基座、滚珠丝杠螺母、圆柱滚子、横向滑轨件、主动杆1、主动杆2、主动杆3、主动杆4、从动杆1、从动杆2、从动杆3、从动杆4、左扣板、下扣板1、右扣板、下扣板2、4个销轴1、4个销轴2、4个销轴3、4个销轴4，4个圆柱滚子组成，所述上减速机与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠与滚珠丝杠螺母配合；滚珠丝杠螺母与横向滑轨件固定；4个圆柱滚子分放在横向滑轨件的4个滑轨内，可以在其内部滑动；上基座、主动杆1、从动杆1、左扣板与销轴1、销轴2、销轴3、销轴4配合形成双曲柄机构；上基座、主动杆2、从动杆2、下扣板1与销轴1、销轴2、销轴3、销轴4配合形成双曲柄机构；上基座、主动杆3、从动杆3、右扣板与销轴1、销轴2、销轴3、销轴4配合形成双曲柄机构；上基座、主动杆4、从动杆4、下扣板2与销轴1、销轴2、销轴3、销轴4配合形成双曲柄机构；主动杆1、主动杆2、主动杆3、主动杆4分别一个圆柱滚子间隙配合；所述上减速机转动，通过滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母将转动转化为横向滑轨件的上下移动；横向滑轨件的上下移动会带动滑轨内圆柱滚子的离心与向心运动，4个圆柱滚子将分别带动主动杆1、主动杆2、主动杆3、主动杆4摆动；主动杆1、主动杆2、主动杆3、主动杆4的摆动带动左扣板、下扣板1、右扣板、下扣板2进行展开与闭合。左扣板与右扣板对称布置在上边、下扣板1与下扣板2对称布置在下边，4个扣板投影在上基座上是均布的。4个扣板的内侧面优化做成大弧面，在弧面中间位置设置一个小的弧面与目标接口件的细光杆配合。从在上基座投影看，4个扣板展开，他们的内侧面是一个封闭的包络面。闭合后会留有一个与目标接口件的细光杆等径的圆孔。
所述万向浮动调节机构包括压缩弹簧1、压缩弹簧2、压缩弹簧3、压缩弹簧4、十字件和下基座，所述压缩弹簧1、压缩弹簧2、压缩弹簧3、压缩弹簧4分别固定在上基座和下基座之间。十字件分别于上基座和下基座铰接配合，十字件中间做成空隙，用于放置所述的环抱机构的上减速机，上基座的下方和下基座的上方有固定四个压缩弹簧的导杆，环抱机构与万向浮动调节机构共用一个上基座，压缩弹簧1、压缩弹簧2、压缩弹簧3、压缩弹簧4使上基座在未受到非轴向外力时保持与下基座面平行。上基座受到含有径向力成分的力作用时，上基座会发生倾斜，以便于目标接口件精确定位。
所述导向拉紧机构包括导向滑轨件、下减速机、齿轮和齿条，所述下减速机通过螺钉安装在导向滑轨件下面的横梁上，齿轮安装在下减速机上，齿条安装在导向滑轨中间的导轨内，齿条的上端固定在下基座上，下基座安装在导向滑轨件内；通过下基座两侧的滑块与导向滑轨件两侧的滑轨配合，下基座可在导向滑轨件内上下滑动。导向滑轨件上端有弧形环面，该弧形环面可以与目标接口件的弧形面配合，进而对目标接口件进行精确定位。导向拉紧机构与万向浮动调节机构共用一个下基座，当导向拉紧机构使下基座向下运动时，会带动所述的万向调节机构与环抱机构向下运动，进而对目标接口件进行精确定位和拉紧。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质特征点和显著优点：
本发明用于空间操作的环抱式捕获机构容差大，且结构简单紧凑，精度高。首先，用于空间操作的环抱式捕获机构扣板通过优化设计在展开是可以形成很大的包络区域，能提高其容差效果；其次，扣板闭合后能将其拉进导向拉进机构内占有空间小，结构紧凑。刚柔切换机构能够实现主电机和输出轴之间的刚柔切换功能；另外，导向滑轨件上方的两个小弧形面可以对目标进行精确定位，从而提高了定位精度。
附图说明
图1是用于空间操作的环抱式捕获机构总图。
图2是环抱机构示意图
图3是万向浮动调节机构示意图。
图4是导向拉紧机构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：参见图1，本用于空间操作的环抱式捕获机构，包括目标接口件（21）、环抱机构（A）、万向浮动调节机构（B）和导向拉紧机构（C）；其特征在于：所述导向拉紧机构（C）连接控制万向浮动调节机构（B）、环抱机构（A）和目标机构件（21），通过控制环抱机构（A）的通电方向，可实现对目标接口件（21）的粗定位夹紧与释放，通过控制导向拉紧机构（C）的通电方向，可实现对万向浮动调节机构（B）、环抱机构（A）及目标机构件（21）的拉紧与释放，在拉紧过程中可对目标借口件（21）进行精确定位。
实施例二：参见图1，所述目标接口件（21）由一根细光杆（35）的一端固定在一个小圆柱体（34）而另一端固定在一个带倒圆角的大圆柱体（36）构成，细光杆（35）在环抱机构（A）捕获过程中与环抱机构（A）的四个扣板接触，在四个扣板闭合后，可以将细光杆粗定位与夹紧；小圆柱体（34）限制四个扣板的位置，在将环抱机构（A）向下拉紧过程中，防止目标接口件(21)滑出；大圆柱体（36）下侧边到圆角形成的弧面与导向滑轨件（1）上方的弧形环面可以配合，在目标接口件（21）向下运动过程中，导向滑轨件（1）上方的两个弧形面可以对目标接口件（21）进行精确定位。
实施例三：参见图2，所述环抱机构（A）由上减速机（7）、滚珠丝杠(9)、上基座（11）、滚珠丝杠螺母（12）、圆柱滚子（13）、横向滑轨件（14）、主动杆1（16）、主动杆2（23）、主动杆3（25）、主动杆4（28）、从动杆1（15）、从动杆2（22）、从动杆3（26）、从动杆4（29）、左扣板（19）、下扣板1（20）、右扣板（24）、下扣板2（27）、4个销轴1（17）、4个销轴2（18）、4个销轴3（30）、4个销轴4（31），4个圆柱滚子（13）组成，所述上减速机（7）与滚珠丝杠（9）相连，滚珠丝杠（7）与滚珠丝杠螺母（12）配合；滚珠丝杠螺母（12）与横向滑轨件（14）固定；4个圆柱滚子（13）分放在横向滑轨件（14）的4个滑轨内，可以在其内部滑动；上基座（11）、主动杆1（16）、从动杆1（15）、左扣板(19)与销轴1（17）、销轴2（18）、销轴3（30）、销轴4（31）配合形成双曲柄机构；上基座（11）、主动杆2（23）、从动杆2（22）、下扣板1(20)与销轴1（17）、销轴2（18）、销轴3（30）、销轴4（31）配合形成双曲柄机构；上基座（11）、主动杆3（25）、从动杆3（26）、右扣板(24)与销轴1（17）、销轴2（18）、销轴3（30）、销轴4（31）配合形成双曲柄机构；上基座（11）、主动杆4（28）、从动杆4（29）、下扣板2(27)与销轴1（17）、销轴2（18）、销轴3（30）、销轴4（31）配合形成双曲柄机构；主动杆1（16）、主动杆2（23）、主动杆3（25）、主动杆4（28）分别一个圆柱滚子（13）间隙配合；所述上减速机（7）转动，通过滚珠丝杠（9），滚珠丝杠螺母（12）将转动转化为横向滑轨件（14）的上下移动；横向滑轨件（14）的上下移动会带动滑轨内圆柱滚子（13）的离心与向心运动，4个圆柱滚子（13）将分别带动主动杆1（16）、主动杆2（23）、主动杆3（25）、主动杆4（28）摆动；主动杆1（16）、主动杆2（23）、主动杆3（25）、主动杆4（28）的摆动带动左扣板（19）、下扣板1（20）、右扣板（24）、下扣板2（27）进行展开与闭合。左扣板（19）与右扣板（24）对称布置在上边、下扣板1（20）与下扣板2（27）对称布置在下边，4个扣板投影在上基座（11）上是均布的。4个扣板的内侧面优化做成大弧面，在弧面中间位置设置一个小的弧面与目标接口件的细光杆配合。从在上基座投影看，4个扣板展开，他们的内侧面是一个封闭的包络面。闭合后会留有一个与目标接口件（21）的细光杆等径的圆孔。
实施例四：参见图3，所述万向浮动调节机构（B）包括压缩弹簧1（6）、压缩弹簧2（10）、压缩弹簧3（32）、压缩弹簧4（33）、十字件（8）和下基座（5），所述压缩弹簧1（6）、压缩弹簧2（10）、压缩弹簧3（32）、压缩弹簧4（33）分别固定在上基座（11）和下基座（5）之间。十字件（8）分别于上基座（11）和下基座（5）铰接配合，十字件（8）中间做成空隙，用于放置所述的环抱机构（A）的上减速机（7），上基座（11）的下方和下基座（5）的上方有固定四个压缩弹簧的导杆，环抱机构（A）与万向浮动调节机构(B)共用一个上基座（11），压缩弹簧1（6）、压缩弹簧2（10）、压缩弹簧3（32）、压缩弹簧4（33）使上基座（11）在未受到非轴向外力时保持与下基座面平行。上基座（11）受到含有径向力成分的力作用时，上基座（11）会发生倾斜，以便于目标接口件（21）精确定位。
实施例五，参见图4，所述导向拉紧机构（C）包括导向滑轨件（1）、下减速机（3）、齿轮（2）和齿条（4），所述下减速机（3）通过螺钉安装在导向滑轨件（1）下面的横梁上，齿轮（2）安装在下减速机（3）上，齿条（4）安装在导向滑轨中间的导轨内，齿条（4）的上端固定在下基座（5）上，下基座（5）安装在导向滑轨件（1）内；通过下基座（5）两侧的滑块与导向滑轨件两侧的滑轨配合，下基座（5）可在导向滑轨件（1）内上下滑动。导向滑轨件（1）上端有弧形环面，该弧形环面可以与目标接口件（21）的弧形面配合，进而对目标接口件（21）进行精确定位。导向拉紧机构（C）与万向浮动调节机构（B）共用一个下基座（5），当导向拉紧机构（C）使下基座（5）向下运动时，会带动所述的万向调节机构（B）与环抱机构（A）向下运动，进而对目标接口件（21）进行精确定位和拉紧。
本用于空间操作的环抱式捕获机构使用调整过程如下（参见图1～4）
1、参见图1~ 4，目标接口件（21）进入捕获位置，下减速机（3）通反向电，令下减速机（3）反转，进而使齿条（4）向上滑动，齿条（4）推动万向浮动调节机构（B）与环抱机构（A）向上运动。当环抱机构（A）的上基座（11）上表面与导向滑轨件（1）上方的圆环接触时停止,下减速机（3）断电。上减速机（7）通反向电，通过滚珠丝杠（9）与滚珠丝杠螺母（12）使横向滑轨向上运动。4个圆柱滚子(13)分别带动主动杆（16）、主动杆（23）、主动杆（25）、主动杆（28）向外摆动，4个主动杆分别带动左扣板（19）、下扣板1（20）、右扣板（24）、下扣板2（27）向外展开。到极限位置停止，上减速机（7）断电。
2、参见图1~4，上减速机（7）通正向电，令上减速机（7）正转，，通过滚珠丝杠（9）与滚珠丝杠螺母（12）使横向滑轨向下运动。4个圆柱滚子(8)分别带动主动杆（16）、主动杆（23）、主动杆（25）、主动杆（28）向内摆动，4个主动杆分别带动左扣板（19）、下扣板1（20）、右扣板（24）、下扣板2（27）向内闭合。4个扣板闭合过程中会将目标接口件（21）向中心推动。4个扣板完全闭合后可以是目标接口件粗定位与夹紧，上减速机（7）断电。下减速机（3）通正向电，通过齿轮（2）齿条（4）向下运动，齿条(4)带动万向浮动调节机构（B），环保机构（A），以及环抱机构夹紧的目标接口件（21）沿着滑轨向下运动。当目标接口件（21）的弧形面弧形面会与导向滑轨件（1）上面的弧形面配合。当目标接口件有偏差时，导向滑轨件件上的弧形面会对目标接口作用力。该作用力会通过扣板和主动杆从动杆传递给上基座（11），万向浮动调节机构（B）会是上基座（11）倾斜，以便于目标接口件能精确定位和拉紧。所述减速机为带减速器的电机。
3、释放目标接口件（21）时，反之操作即可。
Claims (4)
1.用于空间操作的环抱式捕获机构，包括目标接口件（21）、环抱机构（A）、万向浮动调节机构（B）和导向拉紧机构（C）；其特征在于：所述导向拉紧机构（C）连接控制万向浮动调节机构（B）、环抱机构（A）和目标接口件（21），通过控制环抱机构（A）的通电方向，可实现对目标接口件（21）的粗定位夹紧与释放，通过控制导向拉紧机构（C）的通电方向，可实现对万向浮动调节机构（B）、环抱机构（A）及目标接口件（21）的拉紧与释放，在拉紧过程中可对目标接口件（21）进行精确定位；所述目标接口件（21）由一根细光杆（35）的一端固定在一个小圆柱体（34）而另一端固定在一个带倒圆角的大圆柱体（36）构成，细光杆（35）在环抱机构（A）捕获过程中与环抱机构（A）的四个扣板接触，在四个扣板闭合后，可以将细光杆夹紧与粗定位；小圆柱体（34）限制四个扣板的位置，在将环抱机构（A）向下拉紧过程中，防止目标接口件(21)滑出；大圆柱体（36）下侧边倒圆角形成的弧面与导向滑轨件（1）上方的弧形环面可以配合，在目标接口件（21）向下运动过程中，导向滑轨件（1）上方的两个弧形面可以对目标接口件（21）进行精确定位。
2.根据权利要求1所述的用于空间操作的环抱式捕获机构，其特征在于所述环抱机构（A）由上减速机（7）、滚珠丝杠(9)、上基座（11）、滚珠丝杠螺母（12）、圆柱滚子（13）、横向滑轨件（14）、主动杆1（16）、主动杆2（23）、主动杆3（25）、主动杆4（28）、从动杆1（15）、从动杆2（22）、从动杆3（26）、从动杆4（29）、左扣板（19）、下扣板1（20）、右扣板（24）、下扣板2（27）、4个销轴1（17）、4个销轴2（18）、4个销轴3（30）、4个销轴4（31），4个圆柱滚子（13）组成，所述上减速机（7）与滚珠丝杠（9）相连，滚珠丝杠（9）与滚珠丝杠螺母（12）配合；滚珠丝杠螺母（12）与横向滑轨件（14）固定；4个圆柱滚子（13）分放在横向滑轨件（14）的4个滑轨内，可以在其内部滑动；上基座（11）、主动杆1（16）、从动杆1（15）、左扣板(19)与销轴1（17）、销轴2（18）、销轴3（30）、销轴4（31）配合形成双曲柄机构；上基座（11）、主动杆2（23）、从动杆2（22）、下扣板1(20)与销轴1（17）、销轴2（18）、销轴3（30）、销轴4（31）配合形成双曲柄机构；上基座（11）、主动杆3（25）、从动杆3（26）、右扣板(24)与销轴1（17）、销轴2（18）、销轴3（30）、销轴4（31）配合形成双曲柄机构；上基座（11）、主动杆4（28）、从动杆4（29）、下扣板2(27)与销轴1（17）、销轴2（18）、销轴3（30）、销轴4（31）配合形成双曲柄机构；主动杆1（16）、主动杆2（23）、主动杆3（25）、主动杆4（28）分别与一个圆柱滚子（13）间隙配合；所述上减速机（7）转动，通过滚珠丝杠（9），滚珠丝杠螺母（12）将转动转化为横向滑轨件（14）的上下移动；横向滑轨件（14）的上下移动会带动滑轨内圆柱滚子（13）的离心与向心运动，4个圆柱滚子（13）将分别带动主动杆1（16）、主动杆2（23）、主动杆3（25）、主动杆4（28）摆动；主动杆1（16）、主动杆2（23）、主动杆3（25）、主动杆4（28）的摆动带动左扣板（19）、下扣板1（20）、右扣板（24）、下扣板2（27）进行展开与闭合；左扣板（19）与右扣板（24）对称布置在上边、下扣板1（20）与下扣板2（27）对称布置在下边，4个扣板投影在上基座（11）上是均布的；4个扣板的内侧面优化做成大弧面，在弧面中间位置设置一个小的弧面与目标接口件的细光杆配合；从在上基座投影看，4个扣板展开，他们的内侧面是一个封闭的包络面；闭合后会留有一个与目标接口件（21）的细光杆等径的圆孔。
3.根据权利要求1所述的用于空间操作的环抱式捕获机构，其特征在于所述万向浮动调节机构（B）包括压缩弹簧1（6）、压缩弹簧2（10）、压缩弹簧3（32）、压缩弹簧4（33）、十字件（8）和下基座（5），所述压缩弹簧1（6）、压缩弹簧2（10）、压缩弹簧3（32）、压缩弹簧4（33）分别固定在上基座（11）和下基座（5）之间；十字件（8）分别于上基座（11）和下基座（5）铰接配合，十字件（8）中间做成空隙，用于放置所述的环抱机构（A）的上减速机（7），上基座（11）的下方和下基座（5）的上方有固定四个压缩弹簧的导杆，环抱机构（A）与万向浮动调节机构(B)共用一个上基座（11），压缩弹簧1（6）、压缩弹簧2（10）、压缩弹簧3（32）、压缩弹簧4（33）使上基座（11）在未受到非轴向外力时保持与下基座面平行；上基座（11）受到含有径向力成分的力作用时，上基座（11）会发生倾斜，以便于目标接口件（21）精确定位。
4.根据权利要求1所述的用于空间操作的环抱式捕获机构，其特征在于所述导向拉紧机构（C）包括导向滑轨件（1）、下减速机（3）、齿轮（2）和齿条（4），所述下减速机（3）通过螺钉安装在导向滑轨件（1）下面的横梁上，齿轮（2）安装在下减速机（3）上，齿条（4）安装在导向滑轨件（1）中间的导轨内，齿条（4）的上端固定在下基座（5）上，下基座（5）安装在导向滑轨件（1）内；通过下基座（5）两侧的滑块与导向滑轨件两侧的滑轨配合，下基座（5）可在导向滑轨件（1）内上下滑动；导向滑轨件（1）上端有弧形环面，该弧形环面可以与目标接口件（21）的弧形面配合，进而对目标接口件（21）进行精确定位；导向拉紧机构（C）与万向浮动调节机构（B）共用一个下基座（5），当导向拉紧机构（C）使下基座（5）向下运动时，会带动万向调节机构（B）与环抱机构（A）向下运动，进而对目标接口件（21）进行精确定位和拉紧。
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