CN104626187B - 一种可在轨更换的机械臂关节快换接口 - Google Patents
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Abstract
一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，它涉及一种机械臂关节快换接口，具体涉及一种可在轨更换的机械臂关节快换接口。本发明为了解决现有大型空间机械臂无法进行在轨维护的问题。本发明包括凸本体、与凸本体相配和的凹本体、导向机构、定位机构、电连接器辅助连接机构和六个快速拆卸连接机构，定位机构、所述电连接器辅助连接机构安装在凹本体上，导向机构安装在凸本体上，六个快速拆卸连接机构均布安装在凹本体上，凹本体通过六个快速拆卸连接机构与凸本体连接。本发明用于航空航天领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械臂关节快换接口，具体涉及一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，属于航空航天领域。
背景技术
大型空间机械臂是空间站不可缺少的操作工具，能够最大限制地减少宇航员进行高风险、高成本的出仓操作。空间机械臂是在轨维护与建设的支撑性技术，通过地面遥操作或者机械臂自主操作，可实现精确地定位，进行物件的抓取、搬运、更换，实现轨维护作业和空间站组装任务，也可配合航天员出仓作业，进行高难度的维修作业任务。大型空间机械臂的特点是造价昂贵、结构复杂且需长期在轨运行的特点。目前国际上在轨的大型空间机械臂有加拿大空间站遥操作机械臂SSRMS与日本实验舱机械臂JEMRMS，这两个机械臂均采用可在轨维护更换设计。
机械臂关节是关节的核心组成部件，是机械臂上最复杂、成本最高的部件。作为舱外机械臂关节，在太空恶劣的工作环境下作业。为了保证机械臂长期稳定运行，仅采用冗余设计是不够的，还需要考虑关节在失效的情况下通过相对较低的维护成本使得空间机械臂正常运行。空间站位于低轨道，因此考虑采用可在轨更换关节设计，通过宇航员出仓进行在轨维护。关节快换接口是保证机械臂良好维护性的必要条件。目前国内并没有一种实用、能够应用于空间机械臂关节的关节快换接口。
现有专利CN102107433B《关键组件在轨可更换的空间机器人关节》中提到快换连接部件，包括快换下接头电气接口连接板组件、快换下接头连接法兰盘、三个连接导引块。所述快换下接头连接法兰盘具有单层凸缘，其与关节外壳下端面的双层下凸缘相配，连接导引块与双层下凸缘上导向槽相配。其还具有快换接头紧固销部件，包括预紧螺栓、一组楔块组件、销轴、胀销套、多个连接钢丝等。这种快换连接部件与关节外壳一体，不能实现独立、成系列的通用接口。该快换连接部件没有电器接口辅助连接机构，而是机械对接与电气接口同时对接完成，会导致在轨对接力过大或者电气接口损坏而使对接失败。该快换连接部件没有初步锁紧装置，当对接成功后不能实现锁紧，可能导致脱离对接成功状态。对于快换接头紧固销部件，本发明采用一组传力楔块与膨胀楔块能实现胀紧力均匀分布，这与上诉专利的结构形式不同。上诉专利的快换接头紧固销部件不具备限位提示功能，不具备小部件在轨防丢能力，且不具备方便宇航员拆卸的结构与装置。综上所述，本专利提出多种创新设计，是一种真正实用、通用的可在轨更换关节快换接口。
发明内容
本发明为解决现有大型空间机械臂无法进行在轨维护的问题，进而提出一种可在轨更换的机械臂关节快换接口。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括凸本体、与凸本体相配和的凹本体、导向机构、定位机构、电连接器辅助连接机构和六个快速拆卸连接机构，定位机构、所述电连接器辅助连接机构安装在凹本体上，导向机构安装在凸本体上，六个快速拆卸连接机构均布安装在凹本体上，凹本体通过六个快速拆卸连接机构与凸本体连接。
本发明的有益效果是：一、本发明的快换接口能够实现空间微重力环境下在轨拆卸，实现可靠锁紧，满足空间机械臂的刚度与强度要求；二、本发明的快换接口具有一定锥度的对接凸耳与锥形导向装置，具有较大的容差能力；三、本发明利用膨胀锁紧原理，能够在较小旋转位移下实现拆装，具有快速拆装特性；四、本发明充分考虑到空间轨道环境的作业局限，设计多个限位、锁定、连接装置防止接口部件脱离预定位置以及微小部件的遗失；五、本发明在实现快换连接后利用曲柄滑块机构实现电气连接，将直线插拔运动转换为旋转运动，并且对电连接器的容差要求不高，能够实现机械臂关节的电源、数据连接。
附图说明
图1为可在轨更换的机械臂关节快换接口对接状态主视图，图2为本发明的凸本体三维立体图，图3为本发明的凸本体的主剖视图，图4为图3的俯视图，图5为本发明的凹本体、定位装置、快速拆装连接机构以及电连接器辅助连接机构组合的三维立体图，图6为发明的凹本体、定位装置、快速拆装连接机构以及电连接器辅助连接机构组合主剖视图，图7为图6的俯视图，图8为图7的左剖视图，图9为本发明的快速拆装连接机构及其安装位置Ⅰ的局部放大图，图10为本发明的定位装置结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口包括凸本体1、与凸本体相配和的凹本体2、导向机构3、定位机构4、电连接器辅助连接机构和六个快速拆卸连接机构5，定位机构4、所述电连接器辅助连接机构安装在凹本体2上，导向机构3安装在凸本体1上，六个快速拆卸连接机构5均布安装在凹本体2上，凹本体2通过六个快速拆卸连接机构5与凸本体1连接。
具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口的凸本体1包括凸本体外壳1-1、第一电连接器定位板1-2、六个胀销套1-4、多个第一连接螺钉1-3和多个第二连接螺钉1-5，第一电连接器定位板1-2通过多个第一连接螺钉1-3并排安装在凸本体外壳1-1内，凸本体外壳1-1下表面沿圆周方向均布设有六个凸耳1-6，每个所述凸耳1-6上分别插装一个胀销套1-4，每个胀销套1-4通过多个第二连接螺钉1-5与凸耳1-6固定连接。
本实施方式的技术效果是：如此设置，实现了凸本体1定位导向、机械连接与电气连接功能的一体化集成，所述胀销套1-4由高强度钛合金加工而成，其刚度大且具有良好的温度保持性，能够保证快速拆卸连接机构5的可靠锁紧。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：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口的凹本体2包括凹本体外壳2-1、底板2-7、六个外环胀销套2-3、六个内环胀销套2-5、多个第三连接螺钉2-2、多个第四连接螺钉2-4和多个第五连接螺钉2-8，凹本体外壳2-1的外环上沿圆周方向均布设有六个外耳板2-1-1，凹本体外壳2-1的内环上沿圆周方向均布设有六个内耳板2-1-2，每个外耳板2-1-1与一个内耳板2-1-2组成一对锁紧耳板，凸本体1上每个凸耳1-6可对应插装在一对所述锁紧耳板内，每个外耳板2-1-1上分别各插装一个外环胀销套2-3，每个外环胀销套2-3通过多个第三连接螺钉2-2与外耳板2-1-1固定连接，每个内耳板2-1-2上分别各插装一个内环胀销套2-5，每个内环胀销套2-5通过多个第四连接螺钉2-4与内耳板2-1-2固定连接，底板2-7通过多个第五连接螺钉2-8安装在凹本体壳体2-1内。
本实施方式的技术效果是：如此设置，实现了凹本体2导向定位、机械连接与电气连接功能的一体化集成。所述外胀销套2-3与内胀销套2-5由高强度钛合金加工而成，其刚度大且具有良好的温度保持性，能够保证快速拆卸连接机构5的可靠锁紧。所述外耳板2-1-1与内耳板2-1-2具有锥度，与凸耳1-6配合具有容差特性与导向特性，且满足机械连接的强度与刚度要求。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：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口的导向机构3包括导向键3-1和导向键连接螺钉3-2，导向键3-1通过导向键连接螺钉3-2安装在凸本体外壳1-1上。
本实施方式的技术效果是：如此设置，凸本体1与凹本体2在对接过程中，通过导向键3-1在凹本体外壳2-1上的导向槽移动，实现快换接口的周向导向。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：结合图5、图7和图10说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口的定位机构4包括外壳4-1、锁定键4-2、锁定键转轴4-3、第一紧固螺钉4-4、第一定位弹簧4-5、第二紧固螺钉4-6、定位销4-7和多个第六连接螺钉4-8，外壳4-1通过多个第六连接螺钉4-8安装在凹本体2上，锁定键转轴4-3插装在外壳4-1上，锁定键4-2套装在锁定键转轴4-3上，第一定位弹簧4-5的一端通过第一紧固螺钉4-4安装在外壳4-1上，第一定位弹簧4-5的另一端通过第二紧固螺钉4-6与锁定键4-2的根部端连接，定位销4-7安装在外壳4-1的下端。
本实施方式的技术效果是：如此设置，多个第六连接螺钉4-8将所述定位机构4连接到所述凹本体2上，靠近锥形导向槽。通过第一定位弹簧4-5使得锁定键4-2绕锁定键转轴4-3旋转并接触所述导向键3-1并初步锁紧。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：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口的每个快速拆卸连接机构5包括多条连接钢丝5-1、多个钢丝接头5-2、上连接板5-3、紧固螺栓套5-4、销柱5-5、两个限位螺钉5-6、螺母5-7、下连接板5-8、楔块组和多个第七连接螺钉5-12，下连接板5-8通过多个第七连接螺钉5-12与凹本体2上的一个外环胀销套2-3连接，每个连接钢丝5-1的两端分别通过钢丝接头组成钢丝环5-1-1，上连接板5-3、下连接板5-8由上至下一次套装在紧固螺栓套5-4的外侧壁上，销柱5-5插装在紧固螺栓套5-4内，两个用于固定销柱5-5的限位螺钉5-6对称插装在紧固螺栓套5-4的外侧壁上，螺母5-7套装在紧固螺栓套5-4上，且螺母5-7位于上连接板5-3与下连接板5-8之间，所述楔块组的上端与紧固螺栓套5-4的下端连接，所述楔块组的下端依次穿过外环胀销套2-3和内环胀销套2-5，上连接板5-3的两端一个连接钢丝5-1连接，上连接板5-3的一端与下连接板5-8的一端通过一个连接钢丝5-1连接，上连接板5-3的另一端通过一个连接钢丝5-1与下连接板5-8的另一端连接。
本实施方式的技术效果是：如此设置，通过转动紧固螺栓套5-4使其沿着固定销柱5-5上的螺纹移动，对一组楔块施加力，实现楔块膨胀锁紧。限位螺钉5-6结合固定销柱5-5尾部的凸缘，避免紧固螺栓套5-4超过螺纹行程而丢失。连接钢丝5-1将快速拆卸连接机构5限定在凹本体2上，防止其因为宇航员疏忽而丢失成为太空垃圾。多个钢丝接头5-2方便宇航员在空间作业时拔出所述快速拆卸连接机构5。其它组成及连接关系与具体实施方式一或三相同。
具体实施方式七：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口的楔块组由上至下依次连接的端部半楔块5-9、开缝弹性主楔块5-10、中部全楔块5-11组成。
本实施方式的技术效果是：如此设置，所述一组楔块按一定顺序套装在销柱5-5，并由紧固螺栓套5-4与销柱5-5螺纹连接并施加压力在所述一组楔块上。所述多条连接钢丝5-11连接在上连接板5-3与下连接板5-8上，所述上连接板5-3由螺母5-7连接在所述紧固螺栓套5-4上。所述下连接板5-8由多个第七连接螺钉5-12连接在凹本体上的外环胀销套2-3上。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图5、图6和图8说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口的电连接器辅助连接机构包括两个电连接器插座6-1、两个点连接器插头6-2、第二电连接器定位板6-3、多个连接机构、施力轴6-6、轴连接套6-7、多个导向柱6-8和曲柄，两个电连接器插座6-1并排安装在第一电连接器定位板1-2上，两个电连接器插头6-2并排安装在第二电连接器定位板6-3上，每个电连接器插头6-2对应插装在一个电连接器插座6-1内，第二电连接器定位板6-3通过多根导向柱6-8与底板2-7连接，第二电连接器定位板6-3通过多个所述连接机构与施力轴6-6连接，施力轴6-6通过轴连接套6-7与曲轴6-17连接，曲轴6-17安装在底板2-7上。
本实施方式的技术效果是：如此设置，所述施力轴6-6与曲轴6-17通过轴连接套6-7同轴连接，所述曲轴6-17安装在所述凹本体底板2-7上。所述连杆6-10通过下转轴6-14与下旋转接头6-12相连接，所述下旋转接头6-12通过平键6-13与曲轴6-17相连，并实现动力传递。所述连杆6-10通过上转轴6-11与上旋转接头6-5相连，所述上旋转接头6-5通过多个连接螺钉Ⅷ6-4与所述电连接器定位板6-3连接。所述电连接器插头6-2跟随电连接器定位板6-3沿着所述导向柱6-8上下平动。所述第二定位弹簧6-15通过第三紧固螺钉连接在曲轴6-17上，所述第二定位弹簧6-15通过第四紧固螺钉6-18连接在定位块6-17上，所述定位块6-17固定在所述凹本体底板2-7上。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式九：结合图5、图6和图8说明本实施方式，本实施方式所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口的每个所述连接机构包括多个第八连接螺钉6-4、上旋转接头6-5、连接杆6-10、上转轴6-11、下旋转接头6-12、平键6-13、下转轴6-14、第二定位弹簧6-15、定位块6-16、曲轴6-17和第四紧固螺钉6-18，上旋转接头6-5通过多个第八连接螺钉6-4与电连接器定位板6-3连接，连接杆6-10的上端通过上转轴6-11与上旋转接头6-5连接，连接杆6-10的下端通过下转轴6-14与下旋转接头6-12连接，下旋转接头6-12通过平键6-13与曲轴6-17连接，第二定位弹簧6-15的一端通过第三紧固螺钉与曲轴6-17连接，第二定位弹簧6-15的另一端通过第四紧固螺钉6-18与定位块6-16连接，定位块6-16固定在底板2-7上。
本实施方式的技术效果是：如此设置，方便电连接器辅助连接机构便于安装。通过连接杆6-10与曲轴6-17实现电连接器辅助连接机构下限位，通过曲柄与底板2-7的限位块实现电连接器辅助连接机构上限位，第二定位弹簧6-15实现在电连接器辅助连接机构的极限位置时，防止因为发射阶段振动导致电连接器脱离连接。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。
工作原理
凹本体外壳上具有六个均布的带有锥度的双层凸耳与凸本体外壳的带有锥度的单层凸耳配对连接，实现可在轨更换的机械臂关节快换接口对接的容差特性。导向机构中的三个导向键与所述凹本体外壳上的三个锥形导向槽配对导向，能够保证在一定的初始对接误差下接口能够准确地对接在预定位置。定位机构连接到所述凹本体上，靠近锥形导向槽。通过预紧弹簧使得锁定键绕锁定键转轴旋转并接触所述导向键并定位，以便在插入快速拆装连接机构之前，凸本体与凹本体之间的对接状态能够在太空微重力环境下保持住。快速拆装连接机构利用膨胀锁紧原理，能够在较小旋转位移下实现快速拆装特性，同时能够提供可靠的锁紧力以及满足所需的强度、刚度要求。在机械连接锁紧完成之后，利用电连接器辅助连接机构的一种曲柄滑块机构，通过转动曲轴带动两个连杆从而使得一对电连接器插头组沿着导向柱平动，使得电连接器插头插入插座实现电气连接。可在轨更换的机械臂关节快换接口拆卸过程与上述相反。
Claims (7)
1.一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，它包括凸本体(1)、与凸本体相配和的凹本体(2)、导向机构(3)、定位机构(4)、电连接器辅助连接机构和六个快速拆卸连接机构(5)，定位机构(4)、所述电连接器辅助连接机构安装在凹本体(2)上，导向机构(3)安装在凸本体(1)上，六个快速拆卸连接机构(5)均布安装在凹本体(2)上，凹本体(2)通过六个快速拆卸连接机构(5)与凸本体(1)连接，导向机构(3)包括导向键(3-1)和导向键连接螺钉(3-2)，导向键(3-1)通过导向键连接螺钉(3-2)安装在凸本体外壳(1-1)上，其特征在于：凸本体(1)包括凸本体外壳(1-1)、第一电连接器定位板(1-2)、六个胀销套(1-4)、多个第一连接螺钉(1-3)和多个第二连接螺钉(1-5)，第一电连接器定位板(1-2)通过多个第一连接螺钉(1-3)并排安装在凸本体外壳(1-1)内，凸本体外壳(1-1)下表面沿圆周方向均布设有六个凸耳(1-6)，每个所述凸耳(1-6)上分别插装一个胀销套(1-4)，每个胀销套(1-4)通过多个第二连接螺钉(1-5)与凸耳(1-6)固定连接。
2.根据权利要求1所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，其特征在于：凹本体(2)包括凹本体外壳(2-1)、底板(2-7)、六个外环胀销套(2-3)、六个内环胀销套(2-5)、多个第三连接螺钉(2-2)、多个第四连接螺钉(2-4)和多个第五连接螺钉(2-8)，凹本体外壳(2-1)的外环上沿圆周方向均布设有六个外耳板(2-1-1)，凹本体外壳(2-1)的内环上沿圆周方向均布设有六个内耳板(2-1-2)，每个外耳板(2-1-1)与一个内耳板(2-1-2)组成一对锁紧耳板，凸本体(1)上每个凸耳(1-6)可对应插装在一对所述锁紧耳板内，每个外耳板(2-1-1)上分别各插装一个外环胀销套(2-3)，每个外环胀销套(2-3)通过多个第三连接螺钉(2-2)与外耳板(2-1-1)固定连接，每个内耳板(2-1-2)上分别各插装一个内环胀销套(2-5)，每个内环胀销套(2-5)通过多个第四连接螺钉(2-4)与内耳板(2-1-2)固定连接，底板(2-7)通过多个第五连接螺钉(2-8)安装在凹本体外壳(2-1)内。
3.根据权利要求1所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，其特征在于：定位机构(4)包括外壳(4-1)、锁定键(4-2)、锁定键转轴(4-3)、第一紧固螺钉(4-4)、第一定位弹簧(4-5)、第二紧固螺钉(4-6)、定位销(4-7)和多个第六连接螺钉(4-8)，外壳(4-1)通过多个第六连接螺钉(4-8)安装在凹本体(2)上，锁定键转轴(4-3)插装在外壳(4-1)上，锁定键(4-2)套装在锁定键转轴(4-3)上，第一定位弹簧(4-5)的一端通过第一紧固螺钉(4-4)安装在外壳(4-1)上，第一定位弹簧(4-5)的另一端通过第二紧固螺钉(4-6)与锁定键(4-2)的根部端连接，定位销(4-7)安装在外壳(4-1)的下端。
4.根据权利要求1所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，其特征在于：每个快速拆卸连接机构(5)包括多条连接钢丝(5-1)、多个钢丝接头(5-2)、上连接板(5-3)、紧固螺栓套(5-4)、销柱(5-5)、两个限位螺钉(5-6)、螺母(5-7)、下连接板(5-8)、楔块组和多个第七连接螺钉(5-12)，下连接板(5-8)通过多个第七连接螺钉(5-12)与凹本体(2)上的一个外环胀销套(2-3)连接，每个连接钢丝(5-1)的两端分别通过钢丝接头组成钢丝环(5-1-1)，上连接板(5-3)、下连接板(5-8)由上至下一次套装在紧固螺栓套(5-4)的外侧壁上，销柱(5-5)插装在紧固螺栓套(5-4)内，两个用于固定销柱(5-5)的限位螺钉(5-6)对称插装在紧固螺栓套(5-4)的外侧壁上，螺母(5-7)套装在紧固螺栓套(5-4)上，且螺母(5-7)位于上连接板(5-3)与下连接板(5-8)之间，所述楔块组的上端与紧固螺栓套(5-4)的下端连接，所述楔块组的下端依次穿过外环胀销套(2-3)和内环胀销套(2-5)，上连接板(5-3)的两端一个连接钢丝(5-1)连接，上连接板(5-3)的一端与下连接板(5-8)的一端通过一个连接钢丝(5-1)连接，上连接板(5-3)的另一端通过一个连接钢丝(5-1)与下连接板(5-8)的另一端连接。
5.根据权利要求4所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，其特征在于：所述楔块组由上至下依次连接的端部半楔块(5-9)、开缝弹性主楔块(5-10)、中部全楔块(5-11)组成。
6.根据权利要求1所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，其特征在于：所述电连接器辅助连接机构包括两个电连接器插座(6-1)、两个点连接器插头(6-2)、第二电连接器定位板(6-3)、多个连接机构、施力轴(6-6)、轴连接套(6-7)、多个导向柱(6-8)和曲柄，两个电连接器插座(6-1)并排安装在第一电连接器定位板(1-2)上，两个电连接器插头(6-2)并排安装在第二电连接器定位板(6-3)上，每个电连接器插头(6-2)对应插装在一个电连接器插座(6-1)内，第二电连接器定位板(6-3)通过多根导向柱(6-8)与底板(2-7)连接，第二电连接器定位板(6-3)通过多个所述连接机构与施力轴(6-6)连接，施力轴(6-6)通过轴连接套(6-7)与曲轴(6-17)连接，曲轴(6-17)安装在底板(2-7)上。
7.根据权利要求6所述一种可在轨更换的机械臂关节快换接口，其特征在于：每个所述连接机构包括多个第八连接螺钉(6-4)、上旋转接头(6-5)、连接杆(6-10)、上转轴(6-11)、下旋转接头(6-12)、平键(6-13)、下转轴(6-14)、第二定位弹簧(6-15)、定位块(6-16)、曲轴(6-17)和第四紧固螺钉(6-18)，上旋转接头(6-5)通过多个第八连接螺钉(6-4)与电连接器定位板(6-3)连接，连接杆(6-10)的上端通过上转轴(6-11)与上旋转接头(6-5)连接，连接杆(6-10)的下端通过下转轴(6-14)与下旋转接头(6-12)连接，下旋转接头(6-12)通过平键(6-13)与曲轴(6-17)连接，第二定位弹簧(6-15)的一端通过第三紧固螺钉与曲轴(6-17)连接，第二定位弹簧(6-15)的另一端通过第四紧固螺钉(6-18)与定位块(6-16)连接，定位块(6-16)固定在底板(2-7)上。
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