CN106695708A - 五自由度无源柔顺对接机构 - Google Patents

Abstract

一种五自由度无源柔顺对接机构，其包括三自由度自适应调整平台和两自由度自适应调整平台，该三自由度自适应调整平台包括底座托板、球铰支撑座、保持架、滚珠、卡环、中心轴挡板以及中心轴，该中心轴依次穿过该球铰支撑座、该保持架、该底座托板和该中心轴挡板的中心孔，且该卡环卡设在该中心轴的下端部，各个该滚珠被该保持架保持在该球铰支撑座和该底座托板之间，其中该两自由度自适应调整平台包括球铰底座、挡块、滚动体以及球冠体，该球铰底座设置于该球铰支撑座，该挡块设置在该球铰底座和该球铰支撑座之间，该球冠体安装于该球铰底座的安装腔，且各个该滚动体分别相互间隔地保持在该球冠体和该球铰底座之间。

Description

五自由度无源柔顺对接机构

技术领域

本发明涉及一种LRU(Line Replaceable unit在线可替换单元)模块的现场装校的模块位姿自适应调整机构，LRU是指大型复杂光机系统中主要的光学元件和光学部件被制成模块化可替换的组件，也叫做在线可替换单元；属于高精度、微重力、无源柔顺对接装校领域，尤其是涉及一种五自由度无源柔顺对接机构。

背景技术

随着科技的发展，人类对于未知领域的探索也逐渐深入，进入外太空已不再是梦想。为了更加安全高效的利用外太空环境，如何提供逼真的太空微重力模拟环境，在地面验证太空中工作的各种结构与机构的功能与性能，是诸多学者关注的一个重要内容，国内外进行了大量的科学研究与工程应用研究。

近年来，地面微重力补偿实验系统不单单用于空间结构与机构的地面模拟试验，在智能助力设备上也受到越来越多的应用。国际热核聚变实验堆计划是一个全球范围内的科研合作项目，其规模巨大、影响深远，ITER装置是一个巨大的托克马克，它能够产生大规模的、可以控制的核聚变反应。该装置内受损模块的更换是在非常复杂的环境和空间中进行对接与空间六自由度的定位，已经成功地采用了具有微重力补偿的遥控主机械手完成受损模块的更换。

在太空中，由于距离遥远物体的万有引力为零，或多个星球对同一物体的万有引力相等，或万有引力与物体运动的惯性力相等，就产生了理想的零重力环境，即：物体任何细小单元的质心不受任何力的作用。设：物体某细小单元的质量为σm，则该细小单元的质心所受的万有引力、惯性力等场力(场力矩)为零或多个场力的合力(合力矩)为零，即：场力(合力)Fx＝Fy＝Fz＝0，场力矩(合力矩)Mx＝My＝Mz＝0。场力及场力矩的大小与质量σm成正比，与距离(如：两物体万有引力的距离、物体圆周运动的半径等)的平方成反比。

LRU(Line Replaceable unit在线可替换单元)模块具有体积大、质量大，洁净度高、与对接灯箱的间隙小，要求在对接装校过程中，模块所受接触应力足够小，这就对模块的位姿要求非常高，如果位姿超过预期范围，就会造成对接失败甚至损坏模块，其损失不可估量。一般的对接机构对模块的位置调整都是主动式，即便采用全闭环来控制方法来调整模块位姿也无法实现精确对接，其次，在对接过程中，对接机构内部不允许增加辅助设备来监测对接的实际情况，这就要求模块的对接机构本身具有自适应位姿调整功能。本发明针对传统对接机构的不足，提出了一种无动力输入、五自由度柔顺对接机构，该机构最大的特点就是无需增加额外的动力源、实现零重力、柔顺自适应对接，对接过程几乎不产生接触应力。

发明内容

本发明的目的是提供一种五自由度无源柔顺对接机构，用于LRU模块现场装校的模块位姿的自适应调整，并提供五自由度的运动功能，其中五自由度包括X方向的移动、Y方向的移动、绕θx轴的转动、绕θy轴的转动以及绕θz轴的转动，能够适用于微重力对接装校。该五自由度无源柔顺对接机构的结构紧凑，且自适应运动范围小、机构灵敏度高，在微小的干扰的情况下能够满足模块位姿的自适应能力。

为了达到上述目的，本发明的该五自由度无源柔顺对接机构采用的技术方案是：该五自由度无源柔顺对接机构由三自由度自适应调整平台和绕θx/θy/θz三个轴的转动自适应调整平台分级串联组成，其中两个调整平台都有绕Z转动θz，为一个重复自由度。该五自由度无源柔顺对接机构第一级为X方向和Y方向的两个直线运动、绕Z轴转动的三自由度调整平台，第二级为绕X轴和绕Y轴转动的两自由度自适应调整平台。

该五自由度无源柔顺对接机构的五个自由度运动分层实现，前三个自由度调整平台位于最底层，最上一层为两自由度转动调整平台，机构采用串联式，串联顺序为一个三自由度调整平台和一个两自由度调整平台。

该三自由度调整平台由底座托板、球铰支撑座和运动调整机构组成。该运动调整机构由保持架和滚珠组成的运动部件，通过卡环、中心轴挡板、中心轴等连接件连接组成。该运动调整机构通过连接该底座托板和该球铰支撑座来实现X方向移动和Y方向移动以及绕Z轴转动的三个自由度的调整功能。

该两自由度调整平台采用了与传统的球铰所不同的结构，其中该两自由度调整平台由球铰支撑座和球铰机构组成，该球铰机构是由球铰底座、挡块、滚动体、球冠体组成，其中该滚动体和该球冠体构成转动副实现绕X轴转动θx进而绕Y轴转动θy两个转动调整功能。

本发明进一步提供一种五自由度无源柔顺对接机构，其包括一个三自由度自适应调整平台和一个两自由度自适应调整平台，其中该两自由度自适应调整平台设置于该三自由度自适应调整平台上部，且该两自由度自适应调整平台串联于该三自由度自适应调整平台，其中该三自由度自适应调整平台包括一个底座托板、一个球铰支撑座、一个保持架、一组滚珠、一个卡环、一个中心轴挡板以及一个中心轴，该球铰支撑座、该保持架、该底座托板以及该中心轴挡板相互重叠地设置，该中心轴依次穿过该球铰支撑座、该保持架、该底座托板和该中心轴挡板的中心孔，且该卡环卡设在该中心轴的下端部，各个该滚珠被该保持架保持在该球铰支撑座和该底座托板之间，其中该两自由度自适应调整平台包括一个球铰底座、一个挡块、一组滚动体以及一个球冠体，该球铰底座设置于该球铰支撑座，该挡块设置在该球铰底座和该球铰支撑座之间，该球冠体安装于该球铰底座的安装腔，且各个该滚动体分别相互间隔地保持在该球冠体和该球铰底座之间。

作为对本发明的该五自由度无源柔顺对接机构的进一步优选的实施例，该两自由度自适应调整平台的该球铰底座、各个该滚动体和该球冠体形成一个转动副，且该球冠体的中心位于该转动副的球心之下。

作为对本发明的该五自由度无源柔顺对接机构的进一步优选的实施例，该转动副为非完全转动。

本发明的该五自由度无源柔顺对接机构的有益效果是：

1、该五自由度无源柔顺对接机构不需要输入动力源，在装载时能够主动自适应地调整模块位姿使模块位姿满足柔顺对接要求。

2、该五自由度无源柔顺对接机构结构紧凑、巧妙，不需要外部电器元件或者装置，而是利用纯机械式的方式主动调整模块位姿。

3、该五自由度无源柔顺对接机构免去了复杂的闭环控制，减少了对接过程中的模块和箱体间接触应力，实现了真正意义上的柔顺对接。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是本发明的五自由度无源柔顺对接机构的立体示意图。

图2是本发明的五自由度无源柔顺对接机构的三自由度自适应调整平台的示意图。

图3是本发明的五自由度无源柔顺对接机构的两自由度自适应调整平台的示意图。

图4是本发明的五自由度无源柔顺对接机构的装载示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图4所示，依本发明的发明精神提供一种五自由度无源柔顺对接机构，该五自由度无源柔顺对接机构包括一个三自由度自适应调整平台1和一个两自由度自适应调整平台2，该两自由度自适应调整平台2设置在该三自由度自适应调整平台1的上部，且该两自由度自适应调整平台2和该三自由度自适应调整平台1相互串联在一起，以形成该五自由度无源柔顺对接机构。

该三自由度自适应调整平台1包括一个底座托板4、一个球铰支撑座6以及一个运动调整机构，该运动调整机构进一步包括一个保持架7、一组滚珠10、一个卡环5、一个中心轴挡板8、以及一个中心轴9，该中心轴9同时穿过该球铰支撑座6的中心孔和该底座托板4的中心孔，该保持架7设置在该球铰支撑座6和该底座托板4之间，且各个该滚珠10设置于该保持架7的内部，以及由该保持架7使各个该滚珠10保持在该球铰支撑座6和该底座托板4之间，该中心轴挡板8重叠地设置于该底座托板4，且该中心轴挡板8的中心孔也被该中心轴9穿过，该卡环5卡在该中心轴9的下端部，以防止该中心轴9滑脱。该运动调整机构通过连接该底座托板4和该球铰支撑座6来实现X方向的移动、Y方向的移动和绕Z轴转动的三个自由度的调整功能。可以理解的是，该三自由度自适应调整平台是通过该卡环5、该中心轴挡板8和该中心轴9进行连接，以用于限制该三自由度自适应调整平台。

该两自由度自适应调整平台由该球铰支撑座6和一个球铰机构组成，该球铰机构包括一个球铰底座11、一组挡块12、一组滚动体13以及一个球冠体14，其中该球铰底座11设置于该球铰支撑座6的上部，该挡块12设置于该球铰底座11，该球冠体14设置于该球铰底座11的安装腔内，且各个该滚动体13分别相互间隔地设置在该球冠体14和该球铰底座11之间。各个该滚动体13和该球冠体14构成转动副以实现绕X轴转动θx，绕Y轴转动θy两个转动调整功能。

值得一提的是，该球铰底座11、各个该滚动体13和该球冠体14构成转动副，该转动副为非完全转动，可以实现绕X轴转动和绕Y轴转动，且该球冠体14的中心位于该转动副的球心之下，以实现对一个模块3进行位姿自适应调整。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种五自由度无源柔顺对接机构，其特征在于，该五自由度无源柔顺对接机构包括一个三自由度自适应调整平台和一个两自由度自适应调整平台，其中该两自由度自适应调整平台设置于该三自由度自适应平台上部，且该两自由度自适应平台串联于该三自由度自适应平台，其中该三自由度自适应调整平台包括一个底座托板、一个球铰支撑座、一个保持架、一组滚珠、一个卡环、一个中心轴挡板以及一个中心轴，该球铰支撑座、该保持架、该底座托板以及该中心轴挡板相互重叠地设置，该中心轴依次穿过该球铰支撑座、该保持架、该底座托板和该中心轴挡板的中心孔，且该卡环卡设在该中心轴的下端部，各个该滚珠被该保持架保持在该球铰支撑座和该底座托板之间，其中该两自由度自适应调整平台包括一个球铰底座、一个挡块、一组滚动体以及一个球冠体，该球铰底座设置于该球铰支撑座，该挡块设置在该球铰底座和该球铰支撑座之间，该球冠体安装于该球铰底座的安装腔，且各个该滚动体分别相互间隔地保持在该球冠体和该球铰底座之间。

2.如权利要求1所述的一种五自由度无源柔顺对接机构，其特征在于，该两自由度自适应调整平台的该球铰底座、各个该滚动体和该球冠体形成一个转动副，且该球冠体的中心位于该转动副的球心之下。

3.如权利要求2所述的一种五自由度无源柔顺对接机构，其特征在于，该转动副为非完全转动。