CN107675796A - 用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构 - Google Patents
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Abstract
本发明一种用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,包括相互配合连接的接头件和凹槽件,所述的接头件端部的连接头上设置有呈花瓣状的凸起,所述的凹槽件为圆筒结构,凹槽件内部设置有连接槽,连接槽上的凹槽与所述的凸起相匹配;所述的连接头和连接槽相对的位置上均设有用于自动吸附的磁极,连接头和连接槽侧壁上均设置有用于吸附旋转进行机构锁定的磁极。该机构是一种可以在一定范围内实现自动吸附连接并自行锁定的连接装置,该结构本身可靠连接并牢固锁定,可以重复使用的连接机构。
Description
技术领域
本发明涉及空间操作和空间桁架搭建技术领域,具体为一种用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构。
背景技术
随着空间技术的飞速发展,空间系统在人类日常生活中的作用越来越突出,当前空间技术的研究态势已经从探索、利用空间逐步拓展到探索、利用和控制空间。随着人类对空间研究、开发与应用能力的不断提高,空间试验对试验条件也提出了越来越高的要求,很多工作需要宇航员出仓操作。但是宇宙空间环境复杂,无论是真空环境还是宇宙辐射,还是告诉运动的太空碎片,都具有很高的危险性。本发明可以配合空间操作机器人在宇宙空间搭建桁架机构,并在有高度的自适应性,在较大范围内实现可靠地自动连接和可靠自锁,在不消耗星上能源的情况下增加飞船现有结构的静稳定度和拓展飞船可用面积。
现有的连接机构都主要面对大型航天器主题结构的对接。
1966年3月16日,航天员Neil Armstrong和Dave Scott乘坐双子座八号飞船,手动操作交会过程,与无人“阿金纳”目标飞行器对接,成功执行了世界上第一次对接使命。“双子座”、“阿金纳”的对接机构称为“锥/杯”对接机构,或“锥体/锥套”机构。
在对接过程中,“双子座”上界面的凸部(椎体)进入“阿金纳”对接适配器上的凹部(锥套),这一逼近过程将应用安装在“双子座”凸锥体上的“指引棒”对准。指引棒与“阿金纳”上的V型槽口互动,插入槽口中。在锥体进入锥套后,碰锁将紧闭,以防两个飞行器滑离。接着,锥套向后缩回,将“双子座”向内拉动,实现紧密的刚性连接。
“(原始)联盟”是联盟号系列载人飞船的鼻祖,其杆锥机构在对接后,也不能形成内部转移通道。“(原始)联盟”在苏联载人月球规划的作用与“双子座”在美国载人月球规划中的作用十分相似,就是通过在地球轨道上的交会对接试验,为月球飞行提供实质性的方法与技术。
要在太空环境中搭建桁架机构,需要可靠的连接以保证结构稳定。传统的机构有螺钉固定、焊接、铆接等。
螺钉固定是一种传统的固定连接方式,但是需要将螺丝与螺母配合,通过旋转的方式进行安装固定,在操作中存在的问题是,除了被连接件以外,还有额外的配件螺丝和螺母,即使将螺母提前紧固在连接件上,也需要配备螺丝才能完成固定。而且即便是人工操作,也存在螺丝孔孔位难以对准的问题,更别提通过机械臂进行操作,不仅如此,螺丝的紧固程度也难以评估。
焊接的连接方式较螺丝相比,连接强度更高,但是工艺十分复杂。在恶劣的太空环境中,焊接工艺难以进行,而且焊接过程会产生高温,对正在工作的零部件产生严重影响,对结构部件的加热也会使其强度发生改变。
铆接与螺钉连接类似,也需要添加额外部件,但是属于一次性连接,铆钉在被装备后若要拆除则将作废,不能重复使用。
综上考虑,需要设计一款结构本身可以达到可靠连接并牢固锁定,可以重复使用的连接机构。
发明内容
为解决现有技术存在是问题,本发明在于提供一种用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,该机构是一种可以在一定范围内实现自动吸附连接并自行锁定的连接装置,该结构本身可靠连接并牢固锁定,可以重复使用的连接机构。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,包括相互配合连接的接头件和凹槽件,所述的接头件端部的连接头上设置有呈花瓣状的凸起,所述的凹槽件为圆筒结构,凹槽件内部设置有连接槽,连接槽上呈花瓣状的凹槽与所述的凸起相匹配;所述的连接头和连接槽相对的位置上均设有用于自动吸附的磁极,连接头和连接槽侧壁上均设置有用于吸附旋转进行机构锁定的磁极。
所述的连接头的中心处设置有接头吸附磁铁,连接槽的中心处设置有凹槽吸附磁铁,接头吸附磁铁和凹槽吸附磁铁相对设置,且磁极相反。
所述的凹槽件的圆筒壁上间隔均匀设置多个凹槽锁定磁铁,接头件的外壁上设置有与凹槽锁定磁铁相同数量的接头锁定磁铁;当接头件滑入凹槽件后,凹槽锁定磁铁和接头锁定磁铁错位并产生磁力吸引,使得连接头产生旋转与连接槽锁定,锁定后凹槽锁定磁铁和接头锁定磁铁磁极相对。
所述的凹槽件的顶端设置变圆角结构,接头件的连接头顶端外轮廓设置变圆角结构。
连接槽的凹槽内侧设置有纵向虚位,使得接头件滑入凹槽件后,连接头和连接槽底部接触面之间留有空隙。
相邻凹槽之间的连接部内壁设置有用于锁定的限位块。
所述的接头件尾部的连接杆通过轴承与连接头连接。
还包括连接块,所述的连接块设置有多个凹槽件,用于与多个接头件连接并锁定。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,该连接机构的接头呈花瓣状,凸出部分与连接槽凹下部分相对应。当凸出的“花瓣”恰好与“花瓣”的凹槽对应时,连接接头可以伸入连接槽中;此时旋转接头使“花瓣”与“花瓣”凹槽不重合,则结构将被锁定,接头无法从连接槽中拔出,即达到“锁定”效果。通过自动吸附的磁极进行吸引磁力的作用相互靠近实现,通过用于机构锁定的磁极,自动完成旋转过程。该机构是一种可以在一定范围内实现自动吸附连接并自行锁定的连接装置,该结构本身可靠连接并牢固锁定,可以重复使用的连接机构。
进一步,通过设置圆角,防止非圆角结构造成的摩擦阻力及定位偏差,影响使用效率。
进一步,连接杆周围和连接槽周围设置相互吸引的磁极,当连接件到达指定深度时,周围的磁极产生力的作用,使接头件产生微小旋转,设置旋转角度约5°,此时“凸起”与“凹槽”存在错位,接头锁定。该旋转过程为自动完成。
进一步,连接块的六合面集成6个凹槽件2,可以与6个接头件进行连接并锁定。实现多个面的零件之间的连接。
进一步,设置限位块,从任意角度插入的“花瓣”凸起均只可以逆时针旋转起产生错位,且无法顺时针旋转,方便退出。
进一步,采用杆件连接处采用轴承连接,锁定环节由插入时旋转锁定变成拔出时旋转锁定,更符合实际应用场景,锁定牢固可靠。
附图说明
图1为花瓣式可自锁连接机构;(a)为右侧视角,(b)为左侧视角;
图2为花瓣状连接头和连接槽凹槽上吸附磁铁示意图;(a)为接头吸附磁铁位置示意图,(b)为凹槽吸附磁铁位置示意图;
图3为凹槽件顶部圆角及接头件顶部圆角示意图;(a)为凹槽件顶部圆角,(b)为接头件顶部圆角;
图4为“花瓣”凹槽的变圆角结构示意图;
图5为设置磁铁槽的连接槽;
图6为供多个杆件连接的接头示意图;(a)为组装示意图,(b)为拆解示意图;
图7为杆接头端4.5mm圆角示意;
图8为“花瓣”凹槽内的限位块。
图中:1.接头件,11.连接头,12.凸起,13.接头吸附磁铁,14.接头锁定磁铁,2.凹槽件,21.连接槽,22.凹槽,23.凹槽吸附磁铁,24.凹槽锁定磁铁,25.限位块,3.连接块。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示,本发明一种用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,该连接机构包括接头件1和凹槽件2,接头件1的连接头11呈花瓣状,连接头11上的凸出部分(凸起12)与凹槽件2的连接槽21的凹下部分(凹槽22)相对应。
如图2所示,当凸起12的“花瓣”恰好与“花瓣”的凹槽22对应时,连接头11可以伸入连接槽21中;此时旋转连接头11使凸起12的“花瓣”与“花瓣”凹槽22不重合,则结构将被锁定,连接头11无法从连接槽21中拔出,即达到“锁定”效果。
连接头11和连接槽21均设有磁极,连接头11的中心处设置有接头吸附磁铁13,连接槽21的中心处设置有凹槽吸附磁铁23。接头吸附磁铁13和凹槽吸附磁铁23相对设置,且同轴设置,磁极相反。在靠近到一定范围时可松开机械臂,由于接头吸附磁铁13和凹槽吸附磁铁23的吸引磁力的作用下自动相互靠近,并通过圆角实现定位偏差的自动纠正,完成自动连接。
如图3所示,凹槽件2的顶端设半径2mm的圆角,接头件1的连接头11顶端外轮廓设半径2.5mm的圆角。防止非圆角结构造成的摩擦阻力及定位偏差,影响使用效率。
如图4所示,在零件接头件1和凹槽件2相互靠近的过程中,“花瓣”可自动滑入槽中,实现初步自动校准,中轴逐步重合。接下来当接头件到达“花瓣”凹槽面时,设置变圆角面,“花瓣”凸起的圆角和凹槽凹下的圆角相互配合,即使在最初接触时凸起12与凹槽22为严格对应,也可以通过磁铁13和磁铁23的吸引力左右和圆角的纠正作用使“凸起12”和“凹槽22”自动对应,滑入槽内。
如图5所示,滑入“花瓣”槽后,此时“凸起12”与“凹槽22”严格对应,零件可以自由出入。若要达到锁定,需使其旋转错位。故在连接杆周围和连接槽周围设置相互吸引的磁极,具体是凹槽件2的圆筒壁上间隔均匀设置多个凹槽锁定磁铁24,接头件1的外壁上设置有与凹槽锁定磁铁24相同数量的接头锁定磁铁14。当接头件1滑入凹槽件2后,凹槽锁定磁铁24和接头锁定磁铁14的位置不对应,旋转连接头11和连接槽21将被锁定时,凹槽锁定磁铁24和接头锁定磁铁14的位置对应且接触,相互接触。在连接件相互靠近的过程中,磁极距离较远无力的作用,不干预连接件靠近过程;当连接件到达指定深度时,周围的磁极产生力的作用,使接头件产生微小旋转,设置旋转角度约5°,此时“凸起”与“凹槽”存在错位,接头锁定。该旋转过程为自动完成。
如图6所示,该模型为简单的单槽-单杆模型,在实际应用中可以添加带有多个连接槽的连接块3,通过控制连接块开槽数量,可将多个杆件连接在一起;通过控制连接块开槽角度,可实现固定杆件于不同角度的要求。连接块3的六合面集成6个凹槽件2,可以与6个接头件1进行连接并锁定。实现多个面的零件之间的连接。
实施例
采用“未来8000-光敏树脂”材料打印模型,精度0.01mm,并安装磁铁、杆件,制作简单装配体。实物装配后发现:
1.装花瓣”形凸起12和凹槽22圆角太小,只有在较小范围内才能自动滑入,若“花瓣”凸起恰好与凹槽完全不对应,则无法自行连接;
2.设计之初为确保零件可以自动旋转锁定,防止接触面完全解除产生摩擦,在接触面之间设置1mm空隙。
实物连接后发现,这1mm空隙无法起到让零件自动旋转的作用,反而使对接产生松动,连接变得不可靠。
3.没有旋转锁定设计,两个构架连接后可以任意旋转,在承力状态下,一旦旋转到“凸起”和“凹槽”相对应的位置,连接件都会自动脱出。
针对如上问题,做出针对性修改:
1.改进圆角,增加接头端圆角半径到4.5mm;如图7所示。
2.缩短接头长度,从30mm缩短到18mm,减轻重量;
3.旁侧磁铁孔位由手工加工变为设计定位+手工加工,使磁铁位置更准确,且在嵌入磁铁时不会因磁铁过于突出而对结构产生额外摩擦,阻碍接头的旋转。
4.如图8所示,设置限位块25,从任意角度插入的“花瓣”凸起均只可以逆时针旋转起产生错位,且无法顺时针旋转,方便退出;
5.采用杆件连接处采用轴承连接,锁定环节由插入时旋转锁定变成拔出时旋转锁定,更符合实际应用场景,锁定牢固可靠。
6.将纵向虚位设置在“花瓣”结构的“喉部”,改变“自锁”环节的发生时间。即连接完成时,连接头11顶部平面与连接槽21底部平面完全贴合,此时由于磁铁相互贴近磁力最强,接触面摩擦力大,无法产生旋转,仅依靠磁力连接;当试图拔出时,随着承力增加,连接头11顶部离开连接槽21底部,此时连接头仅与杆件通过轴承连接,绕轴旋转方向摩擦力极小,故在侧面磁铁的作用下,接头迅速旋转,“凸起”与“凹槽”形成错位,无法继续拔出,此时完成稳定的锁定,即在“退出”环节完成“自锁”过程。
加工新的改进后的连接头11,组装测试:
活动虚位仅0.5mm,较前一个模型显著减少,连接头11机构在0.5mm的行程内完成旋转形成错位完成锁定,锁定效果更稳定。
以上,仅为本发明的较佳实施例,并非仅限于本发明的实施范围,凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰,都应为本发明的技术范畴。
Claims (8)
1.一种用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,其特征在于,包括相互配合连接的接头件(1)和凹槽件(2),所述的接头件(1)端部的连接头(11)上设置有呈花瓣状的凸起(12),所述的凹槽件(2)为圆筒结构,凹槽件(2)内部设置有连接槽(21),连接槽(21)上呈花瓣状的凹槽(22)与所述的凸起(12)相匹配;所述的连接头(11)和连接槽(21)相对的位置上均设有用于自动吸附的磁极,连接头(11)和连接槽(21)侧壁上均设置有用于吸附旋转进行机构锁定的磁极。
2.根据权利要求1所述的用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,其特征在于,所述的连接头(11)的中心处设置有接头吸附磁铁(13),连接槽(21)的中心处设置有凹槽吸附磁铁(23),接头吸附磁铁(13)和凹槽吸附磁铁(23)相对设置,且磁极相反。
3.根据权利要求1所述的用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,其特征在于,所述的凹槽件(2)的圆筒壁上间隔均匀设置多个凹槽锁定磁铁(24),接头件(1)的外壁上设置有与凹槽锁定磁铁(24)相同数量的接头锁定磁铁(14);当接头件(1)滑入凹槽件(2)后,凹槽锁定磁铁(24)和接头锁定磁铁(14)错位并产生磁力吸引,使得连接头(11)产生旋转与连接槽(21)锁定,锁定后凹槽锁定磁铁(24)和接头锁定磁铁(14)磁极相对。
4.根据权利要求1所述的用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,其特征在于,所述的凹槽件(2)的顶端设置变圆角结构,接头件(1)的连接头(11)顶端外轮廓设置变圆角结构。
5.根据权利要求1所述的用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,其特征在于,连接槽(21)的凹槽(22)内侧设置有纵向虚位,使得接头件(1)滑入凹槽件(2)后,连接头(11)和连接槽(21)底部接触面之间留有空隙。
6.根据权利要求1所述的用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,其特征在于,相邻凹槽(22)之间的连接部内壁设置有用于锁定的限位块(25)。
7.根据权利要求1所述的用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,其特征在于,所述的接头件(1)尾部的连接杆通过轴承与连接头(11)连接。
8.根据权利要求1所述的用于空间桁架连接的自动吸附锁定连接机构,其特征在于,还包括连接块(3),所述的连接块(3)设置有多个凹槽件(2),用于与多个接头件(1)连接并锁定。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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