CN105480439B - 一种空间机械臂在轨维修装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间机械臂在轨维修装置，属于航天技术领域；它包括：伸缩机构、定位环组件、丝杠传动机构及联动齿轮；所述伸缩机构能够使位于其两端的部件发生相对位移；所述定位环组件为两个，每个圆环上能够实现定位环组件的开合；所述联动齿轮由两块半圆环组成一个圆环，所述联动齿轮为内齿轮；所述丝杠传动机构能够实现定位环组件的两个圆环的相对移动，并且在丝杠传动机构的传动轴上设有与联动齿轮啮合的小齿轮；该装置能够辅助航天员进行空间机械臂关节的在轨更换，实现空间机械臂故障关节的拆除、新关节的安装，以延长空间机械臂的在轨使用寿命。

Description

一种空间机械臂在轨维修装置

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及一种空间机械臂在轨维修装置。

背景技术

空间机械臂是开展载人航天活动必不可少的工具，可以完成空间站的建造工作、航天员转移任务、舱外载荷照料任务等。目前，已经成功应用的空间机械臂有国际空间站的加拿大2臂、美国凤凰号火星探测器机械臂等。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空间机械臂在轨维修装置，该装置能够辅助航天员进行空间机械臂关节的在轨更换，实现空间机械臂故障关节的拆除、新关节的安装，以延长空间机械臂的在轨使用寿命。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种空间机械臂在轨维修装置，包括：伸缩机构、定位环组件、丝杠传动机构及联动齿轮；

所述伸缩机构能够使位于其两端的部件发生相对位移；

所述定位环组件为两个，每个定位环组件包括两个圆环及两个快速锁紧结构；每个圆环上设有一个快速锁紧结构能够实现定位环组件的开合；在一个圆环的侧面设有与伸缩机构连接的耳片；

所述联动齿轮由两块半圆环组成一个圆环，其中，一个连接点采用联动齿轮活动销将两块半圆环活动连接，另一个连接点采用快速锁紧结构将两块半圆环连接，所述联动齿轮为内齿轮；

所述丝杠传动机构能够实现定位环组件的两个圆环的相对移动，并且在丝杠传动机构的传动轴上设有与联动齿轮啮合的小齿轮；

其连接关系如下：伸缩机构的两端分别与两个定位环组件的耳片固定连接；丝杠传动机构的两端分别固定在定位环组件的两个圆环的外圆周面，且每个定位环组件的外圆周面均布两个以上丝杠传动机构；联动齿轮同时与一个定位环组件上的两个以上丝杠传动机构的小齿轮啮合。

进一步的，所述伸缩机构包括：安装板、两个以上导向组件及两块定位环安装板；所述定位环安装板为圆弧状的条形板；所述导向组件包括：固定座、滑动轴、自润滑衬套及移动座；滑动轴的一端固定在固定座上，自润滑衬套套装在移动座的内圆周面，滑动轴的另一端与带自润滑衬套的移动座通过孔轴配合，并对滑动轴进行锁紧；两个以上导向组件的固定座分别固定在安装板相邻两个侧边的表面上；每一侧边的导向组件通过各自的移动座分别固定在两块定位环安装板的表面上。

进一步的，所述定位环组件还包括：定位环组件活动销；所述圆环由两个以上安装环组成；所述安装环为圆弧状的条形块，两个以上安装环的端面对接后形成两个相同的圆环，其中每个圆环的一个对接处均通过快速锁紧结构将相邻的两个安装环连接，其余对接处均通过定位环组件活动销将相邻的两个安装环活动连接。

进一步的，所述丝杠传动机构包括：丝杠轴，轴承座，小齿轮，丝杠螺母安装座，丝杠螺母，轴承及方形键；所述丝杠轴为外表面为阶梯型的圆柱，圆柱一端设有外螺纹，圆柱的另一端为六角形柱体；丝杠轴靠近六角形柱体的一端通过一对轴承活动连接在轴承座上，轴承的两端通过丝杠轴的轴肩及固定在轴承座端面的端盖进行轴向限位；丝杠轴的具有外螺纹的一端与丝杠螺母通过螺纹连接，丝杠螺母固定在丝杠螺母安装座上，小齿轮套装在丝杠轴中部的外圆周面，且通过方形键进行周向限位使小齿轮与丝杠轴同轴转动，通过丝杠轴的轴肩及固定在丝杠轴上的挡板对小齿轮进行轴向限位。

进一步的，所述滑动轴的外圆周面设有沿其轴向的凹槽；对滑动轴进行锁紧的方式为通过锁紧螺钉锁紧，锁紧螺钉的一端穿过移动座抵触在滑动轴的凹槽内，锁紧螺钉的另一端通过与两个螺母的旋合对滑动轴进行锁紧。

进一步的，在所述圆环的内圆周面设有与机械臂模块化关节及机械臂臂杆的接口处相配合的波浪形齿；所述耳片的表面上设有四个并列的腰形孔。

进一步的，所述快速锁紧结构包括转动销轴、锁紧螺母及转动垫片，转动垫片上设有圆形通孔及与转动垫片侧边贯通的通孔；两个以上转动销轴分别固定在对接处两侧的两个安装环上，转动垫片通过圆形通孔与最外侧的转动销轴活动连接，并以该转动销轴的轴线为中心进行旋转，当转动垫片转动到位时，转动垫片的其余的通孔与另外的转动销轴配合，并通过锁紧螺母对转动垫片进行锁紧。

进一步的，所述导向组件为四个，两个导向组件的固定座并列固定在安装板侧边的表面上，另两个导向组件的固定座也并列固定在安装板相邻侧边的表面上，且两组导向组件互相垂直；每一侧安装两个导向组件，限制了定位环安装板相对于安装板的转动自由度，使定位环安装板仅能相对于安装板前后移动。

进一步的，所述每个定位环组件的外圆周面均布丝杠传动机构的个数为三个。

进一步的，所述每个定位环组件的安装环的个数为十二个。

有益效果：(1)由于空间机械臂的关节尺寸较大，航天员在轨操作能力有限，本发明能够辅助航天员实现较大尺寸关节的维修任务，以延长空间机械臂的在轨使用寿命。

(2)为了方便航天员在轨操作，本发明设计了多处快速拆卸、锁紧机构，保证其可操作性。

(3)本发明的导向组件具有锁紧功能，在非锁紧状态下能够起到导向作用，在锁紧状态下能够保持空间机械臂在待更换关节拆除后的构型；本发明的耳片上设计圆弧形长条孔，保证了具有一定的角度容差；本发明的自润滑衬套的自润滑性能能够保证空间环境下与滑动轴之间可以灵活相对运动，避免发生卡死。

(4)本发明通过控制活动销的拧紧力矩，可以在非封闭状态下时将相邻的两个安装环拧死，防止在空间零重力下随意漂浮。

(5)航天员在轨通过棘轮扳手旋转任意一处的丝杠传动机构，均可以驱动其余两个丝杠传动机构同步运动，从而达到三点同时施力，将相邻两个关节拆开的目的。

附图说明

图1为本发明的结构组成图。

图2为本发明的伸缩机构的结构图。

图3为本发明的定位环组件的结构图。

图4为本发明的快速锁紧结构的示意图。

图5为本发明的快速锁紧结构打开时的示意图。

图6为本发明的丝杠传动机构的轴测图。

图7为本发明的丝杠传动机构的剖视图。

图8为本发明的联动齿轮的结构图。

图9为本发明的联动齿轮与丝杠传动机构配合的结构图。

图10为本发明的伸缩机构与定位环组件的连接图。

图11为本发明待安装在机械臂的工作原理图。

图12为本发明的联动齿轮待安装在机械臂的工作原理图。

图13为本发明安装在机械臂的工作原理图。

图14为本发明的将机械臂待更换关节卸下的工作原理图。

其中，1-维修装置，2-机械臂模块化关节，3-机械臂臂杆，4-伸缩机构，5-丝杠传动机构，6-定位环组件，7-联动齿轮，8-螺钉，9-安装板，10-固定座，11-滑动轴，12-自润滑衬套，13-移动座，14-定位环安装板，15-锁紧螺钉，16-安装环，17-耳片，22-定位环组件活动销，24-快速锁紧结构，25-丝杠轴，26-轴承座，27-小齿轮，28-丝杠螺母安装座，29-丝杠螺母，30-轴承，31-方形键，34-联动齿轮活动销，35-机械臂待更换关节。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种空间机械臂在轨维修装置，参见附图1，包括：伸缩机构4、定位环组件6、丝杠传动机构5及联动齿轮7；

外围设备为：机械臂模块化关节2、机械臂臂杆3及机械臂待更换关节35；

参见附图2，所述伸缩机构4包括：安装板9、四个导向组件及两块定位环安装板14；所述定位环安装板14为圆弧状的条形板；所述导向组件包括：固定座10、滑动轴11、自润滑衬套12、移动座13及锁紧螺钉15；所述滑动轴11的外圆周面设有沿其轴向的凹槽；滑动轴11的一端通过4个M5螺钉安装在固定座10上，自润滑衬套12套装在移动座13的内圆周面，滑动轴11的另一端与带自润滑衬套12的移动座13通过孔轴配合，自润滑衬套12的自润滑性能能够保证空间环境下与滑动轴之间可以灵活相对运动，避免发生卡死，两个锁紧螺钉15的一端均穿过移动座13抵触在滑动轴11的凹槽内，每个锁紧螺钉15的另一端均通过与两个螺母的旋合对滑动轴11进行锁紧；导向组件具有锁紧功能，在非锁紧状态下能够相对于安装板9移动，起到导向作用，在锁紧状态下能够保持空间机械臂在待更换关节拆除后的构型；

两个导向组件的固定座10通过4个M5螺钉并列固定在安装板9侧边的表面上，另两个导向组件的固定座10也通过4个M5螺钉并列固定在安装板9相邻侧边的表面上，且两组导向组件互相垂直；两组导向组件通过各自的移动座13分别固定在两块定位环安装板14的表面上；每一侧安装两个导向组件，限制了定位环安装板14相对于安装板9的转动自由度，使定位环安装板14仅能相对于安装板9前后移动；

参见附图3，所述定位环组件6包括：12个安装环16、活动销22及快速锁紧结构24；所述安装环16为圆弧状的条形块，6个安装环16的端面对接后形成一个圆环，其中五个对接处通过定位环组件活动销22将相邻的两个安装环16活动连接，通过控制定位环组件活动销22的拧紧力矩，可以在非封闭状态下时将相邻的两个安装环16拧死，防止在空间零重力下随意漂浮；一个对接处通过快速锁紧结构24将相邻的两个安装环16连接，另6个安装环16组成相同的圆环；在所述圆环的内圆周面设有与机械臂模块化关节2及机械臂臂杆3的接口处相配合的波浪形齿；在其中一个圆环的一个安装环16的外圆周面设有沿其周向的耳片17，所述耳片17的表面上设有四个并列的腰形孔，在与其他部件连接时保证具有一定的角度容差；

参见附图4、5，所述快速锁紧结构24包括转动销轴、锁紧螺母及转动垫片，转动垫片上设有圆形通孔及与转动垫片侧边贯通的通孔；两个以上转动销轴分别固定在对接处两侧的两个安装环16上，转动垫片通过圆形通孔与最外侧的转动销轴活动连接，并以该转动销轴的轴线为中心进行旋转，当转动垫片转动到位时，转动垫片的其余的通孔与另外的转动销轴配合，并通过锁紧螺母对转动垫片进行锁紧；快速锁紧结构24方便航天员的在轨操作，实现快速拆卸与锁紧，提高了可操作性；

参见附图6、7，所述丝杠传动机构5包括：丝杠轴25，轴承座26，小齿轮27，丝杠螺母安装座28，丝杠螺母29，轴承30及方形键31；所述丝杠螺母29采用的材料为黄铜；所述丝杠轴25为外表面为阶梯型的圆柱，圆柱一端设有外螺纹，圆柱的另一端为六角形柱体；丝杠轴25靠近六角形柱体的一端通过一对轴承30活动连接在轴承座26上，轴承30的两端通过丝杠轴25的轴肩及固定在轴承座26端面的端盖进行轴向限位；丝杠轴25的具有外螺纹的一端与丝杠螺母29通过螺纹连接，丝杠螺母29固定在丝杠螺母安装座28上，小齿轮27套装在丝杠轴25中部的外圆周面，且通过方形键31进行周向限位使小齿轮27与丝杠轴25同轴转动，通过丝杠轴25的轴肩及固定在丝杠轴25上的挡板对小齿轮27进行轴向限位；

参见附图8，所述联动齿轮7由两块半圆环组成一个圆环，其中，一个连接点采用联动齿轮活动销34将两块半圆环活动连接，另一个连接点采用快速锁紧结构24将两块半圆环连接，所述联动齿轮为内齿轮；

其连接关系如下：参见附图9、10，伸缩机构4的两块定位环安装板14分别通过4个M5螺钉8与两个定位环组件6的耳片17固定连接；丝杠传动机构5的丝杠螺母安装座28和轴承座26分别通过螺钉固定在定位环组件6的两个圆环的外圆周面，且每个定位环组件6的外圆周面均布三个丝杠传动机构5；三个丝杠传动机构5，能够限制丝杠传动机构5的转动自由度，从而实现丝杠螺母29的平移运动，联动齿轮7同时与一个定位环组件6上的三个丝杠传动机构5的小齿轮啮合。

工作原理：参见附图11-14，航天员在轨将伸缩机构4的安装板9通过6个M8螺钉固定在机械臂待更换关节35的外圆周面，一个定位环组件6的两个圆环分别与机械臂模块化关节2及机械臂待更换关节35连接，另一个定位环组件6的两个圆环分别与机械臂臂杆3及机械臂待更换关节35连接，此过程中，定位环组件6的快速锁紧结构24处于打开状态，直到安装完全后将定位环组件6的快速锁紧结构24闭合；再将联动齿轮7的快速锁紧结构24打开后与丝杠传动机构5的小齿轮啮合，啮合完全后将联动齿轮7的快速锁紧结构24闭合；航天员通过棘轮扳手驱动一个丝杠传动机构5的六角形柱体，即带动丝杠轴25及小齿轮27转动，同时通过与联动齿轮7的啮合带动另两个丝杠传动机构5的丝杠轴25及小齿轮27同时转动，进而使每个丝杠传动机构5的丝杠轴25与丝杠螺母29发生同步的相对位移，即带动与丝杠传动机构5固连的定位环组件6的两个圆环沿滑动轴11的方向发生相对位移，使与定位环组件6的两个圆环连接的机械臂模块化关节2及机械臂待更换关节35分开；同理可使机械臂臂杆3及机械臂待更换关节35分开，即可将机械臂待更换关节35拆下，并通过锁紧螺钉15对滑动轴11进行锁紧，保持机械臂模块化关节2与机械臂臂杆3之间的相对角度和构型；

再将机械臂的新关节固定在伸缩机构4的安装板9上，同时新关节的两个连接部分分别与定位环组件6的圆环连接，反向驱动丝杠传动机构5，即将新关节安装到相应位置，并进行锁紧，恢复到机械臂维修前的状态。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，包括：伸缩机构(4)、定位环组件(6)、丝杠传动机构(5)及联动齿轮(7)；

所述伸缩机构(4)能够使位于其两端的部件发生相对位移；

所述定位环组件(6)为两个，每个定位环组件(6)包括两个圆环及两个快速锁紧结构(24)；每个圆环上设有一个快速锁紧结构(24)能够实现定位环组件(6)的开合；在一个圆环的侧面设有与伸缩机构(4)连接的耳片(17)；

所述联动齿轮(7)由两块半圆环组成一个圆环，其中，一个连接点采用联动齿轮活动销(34)将两块半圆环活动连接，另一个连接点采用快速锁紧结构(24)将两块半圆环连接，所述联动齿轮为内齿轮；

所述丝杠传动机构(5)能够实现定位环组件(6)的两个圆环的相对移动，并且在丝杠传动机构(5)的传动轴上设有与联动齿轮(7)啮合的小齿轮(27)；

其连接关系如下：伸缩机构(4)的两端分别与两个定位环组件(6)的耳片(17)固定连接；丝杠传动机构(5)的两端分别固定在定位环组件(6)的两个圆环的外圆周面，且每个定位环组件(6)的外圆周面均布两个以上丝杠传动机构(5)；联动齿轮(7)同时与一个定位环组件(6)上的两个以上丝杠传动机构(5)的小齿轮(27)啮合。

2.如权利要求1所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，所述伸缩机构(4)包括：安装板(9)、两个以上导向组件及两块定位环安装板(14)；所述定位环安装板(14)为圆弧状的条形板；所述导向组件包括：固定座(10)、滑动轴(11)、自润滑衬套(12)及移动座(13)；滑动轴(11)的一端固定在固定座(10)上，自润滑衬套(12)套装在移动座(13)的内圆周面，滑动轴(11)的另一端与带自润滑衬套(12)的移动座(13)通过孔轴配合，并对滑动轴(11)进行锁紧；两个以上导向组件的固定座(10)分别固定在安装板(9)相邻两个侧边的表面上；每一侧边的导向组件通过各自的移动座(13)分别固定在两块定位环安装板(14)的表面上。

3.如权利要求1所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，所述定位环组件(6)还包括：定位环组件活动销(22)；所述圆环由两个以上安装环(16)组成；所述安装环(16)为圆弧状的条形块，两个以上安装环(16)的端面对接后形成两个相同的圆环，其中每个圆环的一个对接处均通过快速锁紧结构(24)将相邻的两个安装环(16)连接，其余对接处均通过定位环组件活动销(22)将相邻的两个安装环(16)活动连接。

4.如权利要求1所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，所述丝杠传动机构(5)包括：丝杠轴(25)，轴承座(26)，小齿轮(27)，丝杠螺母安装座(28)，丝杠螺母(29)，轴承(30)及方形键(31)；所述丝杠轴(25)为外表面为阶梯型的圆柱，圆柱一端设有外螺纹，圆柱的另一端为六角形柱体；丝杠轴(25)靠近六角形柱体的一端通过一对轴承(30)活动连接在轴承座(26)上，轴承(30)的两端通过丝杠轴(25)的轴肩及固定在轴承座(26)端面的端盖进行轴向限位；丝杠轴(25)的具有外螺纹的一端与丝杠螺母(29)通过螺纹连接，丝杠螺母(29)固定在丝杠螺母安装座(28)上，小齿轮(27)套装在丝杠轴(25)中部的外圆周面，且通过方形键(31)进行周向限位使小齿轮(27)与丝杠轴(25)同轴转动，通过丝杠轴(25)的轴肩及固定在丝杠轴(25)上的挡板对小齿轮(27)进行轴向限位。

5.如权利要求2所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，所述滑动轴(11)的外圆周面设有沿其轴向的凹槽；对滑动轴(11)进行锁紧的方式为通过锁紧螺钉(15)锁紧，锁紧螺钉(15)的一端穿过移动座(13)抵触在滑动轴(11)的凹槽内，锁紧螺钉(15)的另一端通过与两个螺母的旋合对滑动轴(11)进行锁紧。

6.如权利要求1或3所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，在所述圆环的内圆周面设有与机械臂模块化关节(2)及机械臂臂杆(3)的接口处相配合的波浪形齿；所述耳片(17)的表面上设有四个并列的腰形孔。

7.如权利要求1所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，所述快速锁紧结构(24)包括转动销轴、锁紧螺母及转动垫片，转动垫片上设有圆形通孔及与转动垫片侧边贯通的通孔；两个以上转动销轴分别固定在对接处两侧的两个安装环(16)上，转动垫片通过圆形通孔与最外侧的转动销轴活动连接，并以该转动销轴的轴线为中心进行旋转，当转动垫片转动到位时，转动垫片的其余的通孔与另外的转动销轴配合，并通过锁紧螺母对转动垫片进行锁紧。

8.如权利要求2所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，所述导向组件为四个，两个导向组件的固定座(10)并列固定在安装板(9)侧边的表面上，另两个导向组件的固定座(10)也并列固定在安装板(9)相邻侧边的表面上，且两组导向组件互相垂直；每一侧安装两个导向组件，限制了定位环安装板(14)相对于安装板(9)的转动自由度，使定位环安装板(14)仅能相对于安装板(9)前后移动。

9.如权利要求1所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，所述每个定位环组件(6)的外圆周面均布丝杠传动机构(5)的个数为三个。

10.如权利要求1或3所述的一种空间机械臂在轨维修装置，其特征在于，所述每个定位环组件(6)的安装环(16)的个数为十二个。