CN108516110B - 空间卡爪式可重复锁解对接机构 - Google Patents

Abstract

空间卡爪式可重复锁解对接机构，它属于航天领域中的空间可重复对接锁紧机构，以解决传统应用的对接机构整体尺寸大、质量较重、结构复杂导致的无法快速响应问题。它包括对接捕获装置和对接被捕获装置；对接被捕获装置包括被捕获机身以及安装在被捕获机身上的电气接口母口；对接捕获装置包括捕获机身、驱动机构和锁紧机构；锁紧机构包括曲柄组件、连杆、滑动销和用于捕获锁紧对接被捕获装置的锁钩；曲柄组件包括连接销和两个曲柄；两个曲柄通过连接销固接在一起，连杆的一端安装在连接销上且二者能相对转动，连杆的另一端安装在锁钩上且二者能相对转动；所述驱动机构安装在捕获机身上并能驱动曲柄转动。本发明用于航天领域。

Description

空间卡爪式可重复锁解对接机构

技术领域

本发明涉及一种空间卡爪式可重复锁解对接机构，属于航天领域中的空间可重复对接锁解机构。

背景技术

随着空间科学技术发展，空间探索规模会持续深入，航天在轨组装技术成为了航天领域的重点研究方向，其中对接机构接口技术是解决空间在轨组装技术的重要基础。然而，传统航天器的固定构型不能满足航天器功能更强和规模更大的适应性要求，未来的航天器系统构想是模块化的，即由功能不同的卫星、桁架结构等通过通用的可重复锁紧的对接机构实现任意卫星与卫星、桁架结构与桁架结构、卫星与桁架结构等连接来构建新型航天器系统，以实现航天器的在轨组装，因此急需开展面向未来模块化的航天器系统的接口技术。

基于传统空间应用的对接机构，整体尺寸大、质量较重、结构复杂，无法实现未来航天器系统构建中对于在轨组装与拆分的快速响应要求；而且，现有的两个航天器之间的对接机构不具有通用的功能，因此将来不能实现任意卫星与卫星、桁架结构与桁架结构、卫星与桁架结构等来构建航天器的想法；同时，对接时往往依靠航天器自身调姿的主动控制以实现对接的高精度，缺乏依靠对接机构中机械机构的被动控制方法实现对接的精度可靠性；此外，传统的对接机构功能单一，往往只能实现简单的功能，没有电、热、液、信息的交互的功能，制约在轨组装航天技术的发展；传统空间应用的对接机构接口布局方式陈旧、数量单一，没有依据自身强度、刚度、尺寸轮廓环境等实际需求进行的多点对接机构设置，没有对接机构多点配合对接的精度、可靠性优势。

发明内容

本发明提供一种空间卡爪式可重复锁解对接机构，为解决传统应用的对接机构整体尺寸大、质量较重及结构复杂的问题。

本发明的技术方案是：

空间卡爪式可重复锁解对接机构包括对接捕获装置和对接被捕获装置；

所述对接被捕获装置包括被捕获机身以及安装在被捕获机身上的电气接口母口；

所述对接捕获装置包括捕获机身、驱动机构和锁紧机构；

所述锁紧机构包括曲柄组件、连杆、滑动销和用于捕获锁紧对接被捕获装置的锁钩；

所述曲柄组件包括连接销和两个曲柄；两个曲柄通过连接销固接在一起，连杆的一端安装在连接销上且二者能相对转动，连杆的另一端安装在锁钩上且二者能相对转动，锁钩在捕获机身上上下滑动；所述驱动机构安装在捕获机身上并能驱动曲柄转动，捕获机身上还设置有电气接口公口，对接捕获装置与对接被捕获装置锁紧后，电气接口母口插接在电气接口公口上。

进一步地，捕获机身腔体内设置有定位槽，定位槽的两侧延伸有能在捕获机身腔体内侧的滑轨上竖向滑动的滑块，每个滑轨上安装有竖向布置的一个弹簧，弹簧端面与滑块正对，定位槽与被捕获机身底部的定位块配合。

进一步地，锁钩上加工有与捕获机身配合相切的弧形曲面。

更进一步地，锁紧机构还包括滑动销，滑动销插装在锁钩上且二者能相对转动，连杆的另一端安装在滑动销上且二者能相对转动，滑动销的两端具有能在捕获机身腔体内侧的滑槽内滑动的凸起。

进一步地，锁紧机构还包括弹性元件，弹性元件的一端与连杆连接，弹性元件的另一端与锁钩贴靠。

进一步地，驱动机构包括电机、蜗轮、蜗杆和蜗轮轴；蜗杆竖向设置并转动安装在捕获机身上，蜗轮安装在蜗轮轴的一端，蜗轮轴的另一端固装在任意一个曲柄上，两个所述曲柄通过轴承支撑安装在捕获机身上，电机的输出轴连接蜗杆，蜗轮与蜗杆啮合。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、本发明对接捕获装置与对接被捕获装置分别固定在不同的航天器对象上，可以实现任意航天器与航天器、模块与航天器、航天器与桁架等的连接来构建新型航天器，以实现航天器的在轨组装，具有通用性。

2、本发明对接捕获装置通过4个构件拥有5个低副、1个高副构成一个1自由度的锁紧机构，解决了传统应用的接口机构整体尺寸大、质量较重、结构复杂的特点，并具有快速响应的优点。

3、本发明通过扭簧自身弹力使锁钩曲面与捕获端机身紧密接触，实现锁钩按照设计的数学模型轨迹运动即“先转动再滑动”，实现对接捕获装置按照“捕获-拖动-锁紧”步骤将对接被捕获装置捕获。

4、本发明当对接机构捕获端装置与对接机构捕获端装置到达指定锁紧位置后，步进电机并利用蜗轮蜗杆摩擦自锁力实现锁紧，提高了锁紧的可靠性。

5、本发明对接捕获装置按照“捕获-拖动-锁紧”步骤将对接被捕装置捕获，利用机械机构的被动控制方法提高了对接精度可靠性。

6、本发明对接捕获装置与对接被捕获装置之间利用加载弹簧的定位槽实现缓冲，利用机械机构的被动控制方法提高了对接精度可靠性。

7、本发明在对接捕获装置通过简单轻巧的机械机构将对接被捕获装置捕获和机械定位基础上，同时根据需要安装电、液、热、信息等接口实现了电、液、热、信息等交互功能。

8、本发明空间卡爪式可重复锁解对接机构以航天器自身强度、刚度、尺寸轮廓环境等实际需求进行多点对接机构设置，依照不同数量和锁紧点的布局方式实现对接机构多点配合，提高了对接精度和可靠性。

9、本发明空间卡爪式可重复锁解对接机构将对于航天在轨组装领域产生重大现实意义，对于空间细胞卫星构建、天基信息平台塔建与拆分、未来空间航天器作战快速响应提供重要技术基础。

附图说明

图1为本发明空间卡爪式可重复锁解对接机构整体结构示意图；

图2为本发明对接捕获装置主视结构示意图；

图3为本发明对接捕获装置一个方向看的轴测图；

图4为本发明对接捕获装置另一个方向看的轴测图；

图5为本发明锁紧机构和驱动机构连接结构示意图；

图6为图5的俯视图；

图7为图2的A-A向视图；

图8为对接被捕获装置一个方向看的轴测图；

图9为对接被捕获装置另一个方向看的轴测图；

图10为锁紧机构工作原理图；

图11为本发明对接捕获装置初始状态图；

图12为本发明对接捕获装置捕获对接被捕获装置的捕获状态图；

图13为本发明对接捕获装置拖动对接被捕获装置的拖动状态图；

图14为本发明对接捕获装置锁紧对接被捕获装置的锁紧状态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。

参见图1-图5说明，空间卡爪式可重复锁解对接机构，它包括对接捕获装置和对接被捕获装置；

所述对接被捕获装置包括被捕获机身21以及安装在被捕获机身21上的电气接口母口22；

所述对接捕获装置包括捕获机身20、驱动机构和锁紧机构；

所述锁紧机构包括曲柄组件、连杆12、滑动销13和用于捕获锁紧对接被捕获装置的锁钩14；

所述曲柄组件包括连接销10和两个曲柄8；两个曲柄8通过连接销10固接在一起，连杆12的一端安装在连接销10上且二者能相对转动，连杆12的另一端安装在锁钩14上且二者能相对转动，锁钩14在捕获机身20上上下滑动；

驱动机构安装在捕获机身20上并能驱动曲柄8转动，捕获机身20上还设置有电气接口公口19，对接捕获装置与对接被捕获装置锁紧后，电气接口母口22插接在电气接口公口19上。

电气接口公口19通过螺纹连接与捕获机身20固定，电气接口母口22通过螺纹连接与被捕获机身21固定。这样任意航天器之间通用的对接机构捕获端装置锁钩14按照“捕获-拖动-锁紧”步骤将对接机构被捕获端装置被捕获机身21以机械设计的被动控制方法实现了对接，在对接机构捕获端装置通过简单轻巧的机械机构快速响应将对接机构被捕获端装置捕获和机械定位基础上，通过“捕获-拖动-锁紧”步骤的机械设计的实现电气接口的对接，同时根据需要安装液、热、信息等接口实现了电、液、热、信息等交互功能，同时依照不同数量和锁紧点的布局方式实现对接机构多点配合，提高了对接精度和可靠性。

参见图3和图7说明，捕获机身20腔体内设置有定位槽16，定位槽16的两侧延伸有能在捕获机身20腔体内侧的滑轨上竖向滑动的滑块，每个滑轨上安装有竖向布置的一个弹簧17，弹簧17端面与滑块正对，定位槽16与被捕获机身21底部的定位块配合。定位槽16通过其两边的圆柱滑块与捕获端机身20的滑轨配合实现滑动，一对定位螺钉18通过螺纹连接与捕获机身20的滑轨固定，一对弹簧17安装在定位槽16其两边的圆柱形滑块与一对定位螺钉18之间。定位槽16与被捕获机身21底部的定位块配合，定位槽16、一对定位螺钉18、一对弹簧17起到了对接时的缓冲作用。保证了电气接口公口19与电气接口母口22的良好对接。

参见图5和图6说明，锁钩14上加工有与捕获机身20配合相切的弧形曲面。锁紧机构还包括滑动销13，滑动销13插装在锁钩14上且二者能相对转动，连杆12的另一端安装在滑动销13上且二者能相对转动，滑动销13的两端具有能在捕获机身20腔体内侧的滑槽内滑动的凸棱。上述中曲柄8、连杆12、滑动销13和锁钩14相互之间的拥有5个低副、1个高副构成一个1自由度的锁紧机构。具体为：曲柄8与捕获机身20相对转动构成一个转动副；滑动销13是两端带凸起的轴，通过其两边的凸起与滑槽的配合可以在捕获机身20中滑动，滑动销13与捕获机身20构成一个移动副；连杆12一端与曲柄8中连接销10配合实现转动，构成一个转动副；连杆12另一端与滑动销13配合实现转动，构成一个转动副；锁钩14底部与滑动销13配合实现转动，构成一个转动副；锁钩14中部通过数学模型结构分析绘制的弧度曲面与捕获机身20配合相切，与捕获机身20构成一个高副。

锁紧机构还包括弹性元件15，弹性元件15的一端与连杆12连接，弹性元件15的另一端与锁钩14贴靠。优选地，所述弹性元件15为扭簧或片弹簧。扭簧或片弹簧一端通过螺纹连接与连杆12固定，另一端与锁钩14相接触并利用自身弹力使锁钩14中部始终与捕获机身20配合相切。

参见图2说明，驱动机构包括电机1、蜗轮6、蜗杆4和蜗轮轴7；蜗杆4竖向设置并转动安装在捕获机身20上，蜗轮6安装在蜗轮轴7的一端，蜗轮轴7的另一端固装在任意一个曲柄8上，两个所述曲柄8通过轴承支撑安装在捕获机身20上，电机1的输出轴连接蜗杆4，蜗轮6与蜗杆4啮合。

电机1采用步进电机，步进电机机身、步进电机连接座2通过螺纹连接与捕获机身20固定，蜗杆4通过一对蜗杆轴承5被捕获机身20支撑，两个曲柄8通过曲柄轴承9被捕获机身20支撑。电机1的输出轴通过联轴器3与蜗杆4连接，蜗杆4与蜗轮6相互啮合，蜗轮6通过键槽与蜗轮轴7连接，蜗轮轴7通过四边形轴孔配合与曲柄8连接。曲柄8通过曲柄轴承9被捕获端身20支撑，曲柄8通过连接销10、一对卡簧11与曲柄8连接，成为曲柄整体。因此，步进电机通过联轴器3、蜗杆4、蜗轮6可以带动曲柄整体转动，曲柄整体与捕获机身20构成一个转动副。

参见图1、图8和图9说明，锁钩14的对接部的形状与被捕获机身21上的沟槽相配合，沟槽下方为支撑对接部的被捕获机身板。对接机构捕获装置的锁钩14上部结构形状为一个钩子，对接机构被捕获端装置被捕获机身21结构形状为与锁钩14的钩子相互配合的沟槽，通过电机1的驱动实现锁钩14按照设计的数学模型轨迹运动即“先转动再滑动”，直到对接机构捕获装置与对接机构被捕获装置到达指定锁紧位置，电机1停车并利用蜗轮6和蜗杆4摩擦自锁力实现锁紧。

工作原理

初始时，对接捕获装置与一个航天器对接对象固定，对接被捕获端装置与另一个航天器对接对象固定。捕获运动时，电机1转动带动蜗杆蜗轮系转动，蜗轮6转动带动锁紧机构中的曲柄8转动，在扭簧弹力作用下锁钩14中部圆弧面与捕获机身20接触实现锁钩14的转动，实现对接捕获装置对对接被捕获装置的捕获。拖动运动时，蜗轮6转动带动锁紧机构中的曲柄8整体转动，在扭簧弹力作用下锁钩14中部竖直面与捕获机身20接触实现锁钩14的滑动，实现对接捕获装置对对接被捕获装置的拖动。最后，经过缓冲作用的拖动使对接捕获装置与对接被捕获装置到达锁紧位置，实现电气接口的连接，电机1停车，实现对接捕获装置对对接被捕获装置的锁紧，完成空间卡爪式可重复锁解对接机构的对接。

具体为：图10为本发明空间卡爪式可重复锁解对接机构1自由度机械锁紧机构原理图。两个曲柄8通过连接销10连接在一起，成为曲柄整体，曲柄整体与捕获机身20构成一个转动副，连杆12一端与曲柄整体构成一个转动副，连杆12另一端与滑动销13配合实现转动构成一个转动副，滑动销13与捕获机身20构成一个移动副，锁钩14底部与滑动销13配合实现转动，构成一个转动副，锁钩14与捕获机身20构成一个高副。曲柄整体、连杆12、滑动销13、锁钩14这4个构件拥有5个低副、1个高副构成一个1自由度的锁紧机构。

图11为本发明空间卡爪式可重复锁解对接机构初始状态图。初始时，对接捕获装置与一个航天器对接对象固定，对接被捕获装置与另一个航天器对接对象固定，为下一步对接捕获装置对对接被捕获装置的捕获做准备。

图12为本发明空间卡爪式可重复锁解对接机构捕获运动状态图。捕获运动时，如箭头所示，对接机构捕获端装置捕获端上的步进电机1转动通过联轴器3带动蜗杆4和蜗轮6转动，然后带动曲柄整体转动，曲柄整体、连杆12、滑动销13、锁钩14这4个构件拥有5个低副、1个高副构成一个1自由度的锁紧机构，锁钩14中部圆弧面在扭簧弹力作用与对接捕获装置的捕获机身相切接触，从而实现锁钩14的转动，在转动中锁钩14上部钩子状结构与对接被捕获装置的被捕获机身21的沟槽接触，实现对接捕获装置对对接被捕获装置的捕获。

图13为本发明空间卡爪式可重复锁解对接机构拖动运动状态图。对接捕获装置上的电机1转动通过联轴器3带动蜗杆4和蜗轮6转动，然后带动曲柄整体转动，曲柄整体、连杆12、滑动销13、锁钩14这4个构件拥有5个低副、1个高副构成一个1自由度的锁紧机构，锁钩14中部竖直面在扭簧弹力作用与对接机构捕获端装置捕获端机身相切接触，从而实现锁钩14的滑动，在滑动中锁钩14上部钩子状结构与对接被捕获装置的被捕获机身21的沟槽接触带动其一起滑动，如箭头所示，实现对接机构捕获端装置对对接机构被捕获端装置的拖动。

图14为本发明空间卡爪式可重复锁解对接机构锁紧状态图，对接捕获装置的捕获端上的电机1带动下，锁钩14上部钩子状结构与对接被捕获装置的被捕获机身21的沟槽接触带动其一起滑动，实现对接捕获装置对对接被捕获端装置的拖动，拖动到最后被捕获机身21定位轴与对接被捕获装置加载了弹簧17的定位槽16相接触，使对接捕获装置与对接被捕获装置到达锁紧位置，步进电机1停车，利用蜗轮6和蜗杆4摩擦自锁力实现了锁紧。

驱动系统中步进电机1机身、步进电机连接座2通过螺纹连接与捕获机身20固定，锁紧机构中步进电机1给1自由度的锁紧机构提供驱动，使锁钩14与被捕获机身21接触，完成对接机构捕获端装置以“捕获-拖动-锁紧”步骤将对接机构被捕获端装置锁紧对接，定位槽16安装于捕获机身20上起到缓冲作用，电气接口公口19安装固定在捕获机身20上实现电气连接。

对接被捕获装置由被捕获机身21和电气接口母口22构成，电气接口母口22安装固定在被捕获机身21上，被捕获机身21有用于与锁钩14配合接触的沟槽，有用于与被捕获机身21定位槽配合接触的定位轴，有用于使对接捕获装置与对接被捕获装置到达锁紧位置的定位平台。

捕获运动与拖动运动时，分别在扭簧弹力作用下锁钩14中部圆弧面与中部竖直面对接捕获装置的捕获机身接触，实现锁钩的转动与滑动，最后，经过缓冲作用的拖动使对接捕获装置与对接被捕获装置到达锁紧位置，实现电气接口的连接，电机停车实现对接捕获装置对对接被捕获装置的锁紧，完成空间卡爪式可重复锁解对接机构的对接。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (5)

1.空间卡爪式可重复锁解对接机构，其特征在于：它包括对接捕获装置和对接被捕获装置；

所述对接被捕获装置包括被捕获机身(21)以及安装在被捕获机身(21)上的电气接口母口(22)；

所述对接捕获装置包括捕获机身(20)、驱动机构和锁紧机构；

所述锁紧机构包括曲柄组件、连杆(12)、滑动销(13)和用于捕获锁紧对接被捕获装置的锁钩(14)；

所述曲柄组件包括连接销(10)和两个曲柄(8)；两个曲柄(8)通过连接销(10)固接在一起，连杆(12)的一端安装在连接销(10)上且二者能相对转动，连杆(12)的另一端安装在锁钩(14)上且二者能相对转动，锁钩(14)在捕获机身(20)上上下滑动；

所述驱动机构安装在捕获机身(20)上并能驱动曲柄(8)转动，捕获机身(20)上还设置有电气接口公口(19)，对接捕获装置与对接被捕获装置锁紧后，电气接口母口(22)插接在电气接口公口(19)上；

捕获机身(20)腔体内设置有定位槽(16)，定位槽(16)的两侧延伸有能在捕获机身(20)腔体内侧的滑轨上竖向滑动的滑块，每个滑轨上安装有竖向布置的一个弹簧(17)，弹簧(17)端面与滑块正对，定位槽(16)与被捕获机身(21)底部的定位块配合；所述锁钩(14)上加工有与捕获机身(20)配合相切的弧形曲面；所述锁紧机构还包括弹性元件(15)，所述弹性元件(15)为扭簧或片弹簧，弹性元件(15)的一端与连杆(12)连接，弹性元件(15)的另一端与锁钩(14)贴靠。

2.根据权利要求1所述空间卡爪式可重复锁解对接机构，其特征在于：所述锁紧机构还包括滑动销(13)，滑动销(13)插装在锁钩(14)上且二者能相对转动，连杆(12)的另一端安装在滑动销(13)上且二者能相对转动，滑动销(13)的两端具有能在捕获机身(20)腔体内侧的滑槽内滑动的凸起。

3.根据权利要求1或2所述空间卡爪式可重复锁解对接机构，其特征在于：所述驱动机构包括电机(1)、蜗轮(6)、蜗杆(4)和蜗轮轴(7)；蜗杆(4)竖向设置并转动安装在捕获机身(20)上，蜗轮(6)安装在蜗轮轴(7)的一端，蜗轮轴(7)的另一端固装在任意一个曲柄(8)上，两个所述曲柄(8)通过轴承支撑安装在捕获机身(20)上，电机(1)的输出轴连接蜗杆(4)，蜗轮(6)与蜗杆(4)啮合。

4.根据权利要求3所述空间卡爪式可重复锁解对接机构，其特征在于：所述驱动机构还包括联轴器(3)，电机(1)的输出轴通过联轴器(3)与蜗杆(4)连接。

5.根据权利要求4所述空间卡爪式可重复锁解对接机构，其特征在于：所述锁钩(14)的对接部的形状与被捕获机身(21)上的沟槽相配合，沟槽下方为支撑对接部的被捕获机身板。

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