CN109483576B - 一种内外夹紧式紧凑空间对接机构 - Google Patents

Abstract

一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，外环传动电机工作，带动外环传动齿轮转动，外环传动齿轮转动带动外环转盘转动转动，外环转盘转动能够使手爪张开或闭合，闭合时能够夹持住待夹持目标物外壁；内环传动电机工作，内环传动丝杠的另一端通过丝母与氮气弹簧的一端连接，氮气弹簧的另一端连接内环，内环传动丝杠旋转能够带动内环升降；氮气弹簧初始状态处于最大伸出状态，氮气弹簧能够压缩提供柔性加持力支撑待夹持目标物；当外环闭合箍紧待夹持目标物的外壁后，内环传动丝杠旋转带动内环上升，当内环接触到待夹持目标物内壁时，氮气弹簧压缩，提供柔性加持力支撑待夹持目标物内壁，满足内外环同步夹紧的需要，可用于对接夹持航天器喷管。

Description

一种内外夹紧式紧凑空间对接机构

技术领域

本发明涉及一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，即一种紧凑型双向夹紧式夹持机构，属于空间对接技术领域。

背景技术

传统对接机构的抓取都是采用手爪直接抓取，这样虽然能抓住物体，但无法保证物体在手爪中的姿态和精确位置，对于非合作目标，要求能准确抓取并且有足够的夹持力，现有对接机构无法做到，无法既具有抓取定位功能，又具备一定的保持力和力矩，无法保证目标物的准确位置和姿态，无法实现准确抓取。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，应用于非合作目标，要求能准确抓取并且有足够的夹持力。对于非合作性目标，这种夹持力是靠摩擦力转化而来的。这就要求该结构既要具有抓取定位功能，又要具备一定的保持力和力矩，既可以实现紧凑型布局，又能满足内外环同步夹紧的需要。

本发明解决的技术方案为：一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，包括：手爪、外环转盘、内环、基座、外环传动齿轮、内环传动齿轮、氮气弹簧、外壳、内环传动电机、外环传动电机、内环传动丝杠；

外环传动电机工作，带动外环传动齿轮转动，外环传动齿轮转动带动外环转盘转动转动，外环转盘转动与基座通过轴承连接，基座与外壳连接，外环转盘转动能够使手爪张开或闭合，闭合时能够夹持住待夹持目标物外壁；

内环传动电机工作，带动内环传动齿轮转动，内环传动齿轮与内环传动丝杠的一端啮合，内环传动丝杠的另一端通过丝母与氮气弹簧的一端连接，氮气弹簧的另一端连接内环，内环传动丝杠旋转能够带动内环升降；氮气弹簧初始状态处于最大伸出状态，氮气弹簧能够压缩提供柔性加持力支撑待夹持目标物。

还包括快插底座，快插底座安装在气浮台上，与外壳连接，实现快速更换功能

当外环闭合箍紧待夹持目标物的外壁后，内环传动丝杠旋转带动内环上升，在初始内环上升阶段，氮气弹簧不压缩，氮气弹簧初始状态处于最大伸出状态，当内环接触到待夹持目标物内壁时，氮气弹簧压缩，提供柔性加持力支撑待夹持目标物内壁。

手爪，包括：弧形夹持部、目标物位置检测传感器和夹持力传感器；

弧形夹持部内侧设有弹簧柱塞，能够在靠近待夹持目标物时，起导向作用，使弧形夹持部与待夹持目标物准确对接；目标物位置检测传感器能够实时检测待夹持目标物是否进入可夹持范围；夹持力传感器能够在弧形夹持部夹持住待夹持目标物后测量夹持力，实时调整弧形夹持部的夹持力达到任务要求。

外环转盘为圆盘形，一侧设有多个导向槽，每个导向槽由进给槽和同心槽连通而成，进给槽能够推动手爪张合，同心槽能够实现手爪自锁

手爪上还设有随动器，外环转盘转动带动手爪上的随动器相对待夹持目标物前后运动，从而带动手爪张开闭合；

还包括随动器，随动器安装在同心槽与进给槽内，能够沿同心槽与进给槽滑动，当滑入同心槽时锁定位置。

快插底座，包括：底座本体、旋转柱塞、六维力传感器、航插接头；

底座本体中心安装有六维力传感器，能够实时感知空间对接机构在夹持过程中的六个方向的力，底座本体上设置有旋转柱塞用于固定外壳，底座本体上设有航插接头，能够与内环传动电机、外环传动电机的供电端灵活接插，实现灵活拆卸。

内环上还设有压盘，压盘设有弹簧柱塞，能够在靠近待夹持目标物时，起导向作用，使内环与待夹持目标物准确对接；

内环边缘设有柔性材料，压盘将柔性材料固定在内环边缘；压盘能够实现柔性材料的快速取出更换，柔性材料用于与待夹持目标物柔性接触。

内环传动电机通过内环传动齿轮与内环传动丝杠连接实现位置偏置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中应用的内外环夹紧方式。内环丝杠传动和外环中空偏置齿轮传动，是为了既可以实现紧凑型布局，又能满足内外环同步夹紧的需要。

(2)本发明主要应用于非合作目标，要求能准确抓取并且有足够的夹持力。对于非合作性目标，这种夹持力是靠摩擦力转化而来的。这就要求该结构既要具有抓取定位功能，又要具备一定的保持力和力矩。

(3)本发明采用内外环夹紧的方式，利用内外环共同定位的性质。可以保证目标物的准确位置和姿态。由内环弹簧输出的弹性力转化为保持力和力矩。

(4)本发明中可以采用盘式欠驱动抱紧机构(外环)和柔性顶环机构(内环)确保力和力矩。

(5)本发明能准确抓取并且有足够的夹持力。对于非合作性目标，这种夹持力是靠摩擦力转化而来的。这就要求该结构既要具有抓取定位功能，又要具备一定的保持力和力矩，既可以实现紧凑型布局，又能满足内外环同步夹紧的需要。

附图说明

图1为本发明对接机构示意图；

图2为本发明对接机构初始位置示意图；

图3为本发明对接机构最终位置示意图；

图4为本发明手爪结构示意图；

图5为本发明手爪优选参数示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，外环传动电机工作，带动外环传动齿轮转动，外环传动齿轮转动带动外环转盘转动转动，，外环转盘转动能够使手爪张开或闭合，闭合时能够夹持住待夹持目标物外壁；内环传动电机工作，内环传动丝杠的另一端通过丝母与氮气弹簧的一端连接，氮气弹簧的另一端连接内环，内环传动丝杠旋转能够带动内环升降；氮气弹簧初始状态处于最大伸出状态，氮气弹簧能够压缩提供柔性加持力支撑待夹持目标物；当外环闭合箍紧待夹持目标物的外壁后，内环传动丝杠旋转带动内环上升，当内环接触到待夹持目标物内壁时，氮气弹簧压缩，提供柔性加持力支撑待夹持目标物内壁，满足内外环同步夹紧的需要，可用于对接夹持航天器喷管。

如图1所示，本发明一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，包括：手爪、外环转盘、内环、基座、外环传动齿轮、内环传动齿轮、氮气弹簧、外壳、内环传动电机、外环传动电机、内环传动丝杠、快插底座；

内环传动丝杠，包括传动部和连接部，传动部上设有螺旋；连接部位于传动部的一端，连接部的一端与传动部的一端连接；

内环传动齿轮，包括：丝杠端传动轮与电机端传动轮；

内环传动电机输出轴与内环传动丝杠平行，内环传动丝杠的一端设有一对角接触球轴承，角接触球轴承通过轴承安装座固定在底盘上，内环传动丝杠的连接部穿过一对角接触球轴承与底盘，通过锁紧螺母锁紧内环传动丝杠同时固定底盘，连接部的另一端通过过渡套筒与内环传动齿轮中的丝杠端传动轮的中心连接；内环传动电机的输出轴与内环传动齿轮中的电机端传动轮连接；内环传动齿轮中的丝杠端传动轮与电机端传动轮啮合，实现内环传动电机输出的动力传输。

外壳底部设有突起的接插部，能够与快插底座上设置的凹槽配合，实现精准的快速接插；快插底座的凹槽内壁上设有导向滑键，能够起到周向定位的作用；

内环传动丝杠的传动部的一端(靠近连接部的一端)上设有与丝杠配合的丝母，丝母外侧设有伞状的下支撑件，下支撑件与氮气弹簧的一端连接，伞状的下支撑件上优选设有三根氮气弹簧；三根氮气弹簧平行于内环传动丝杠设置；

传动部另一端靠近端头设置上支撑件，传动部另一端穿过上支撑件的中心与内环底板，(上支撑件的中心与内环底板中心设有通孔)，

氮气弹簧的另一端(可伸缩端)连接在上支撑件上；上支撑件与内环底板固定连接；(内环，包括：内环底板、压盘和柔性材料、封板)

内环底板边缘设有柔性材料，压盘将柔性材料固定在内环底板边缘；压盘能够实现柔性材料的快速取出更换，柔性材料用于与待夹持目标物柔性接触，封板盖在内环底板上，对上支撑件与氮气弹簧进行密封保护；

外环，包括：外环转盘、外环传动齿轮、外环传动电机、轴承、转盘机构；

转盘机构设置在基座中心，转盘机构外侧设有轴承，转盘机构通过轴承连接到基座上；转盘机构与外环传动齿轮通过螺栓连接；

外环传动电机，驱动外环传动齿轮转动，从而驱动转盘机构转动；转盘机构驱动外环转盘转动；

手爪，包括：弧形夹持部和目标物位置检测传感器和夹持力传感器；

弧形夹持部，包括：手爪基体、传感器固定块、上盖板、下盖板、随动器；走线槽；

手爪基体为弧形金属块；弧形夹持部包括：弧形段、L型支架，弧形段与L型支架一体成型；L型支架的长边与弧形段相连，随动器装在L型支架的短边；L型支架的短边的横截面为工字型，L型支架短边作为滑块，基座上开有滑槽，L型支架的短边能够在滑槽内滑动，从而确定弧形夹持部运动方向；外环转盘转动带动手爪上的随动器相对待夹持目标物在基座的滑槽内前后运动，从而带动手爪张开闭合；

还设有底盘，内环传动电机安装在底盘上；基座与底盘之间通过连接杆连接；通过基座与底盘形成装配调试空间，能够在调试完成后安装外壳；外环传动电机安装在基座上；外壳为金属材料，优选铝合金。

通过基座与底盘形成装配调试空间，能够在调试完成后安装外壳；外壳为空心圆柱形，能够与快插底座连接。

如图2和图3所示，内环传动电机工作，带动内环传动齿轮转动，内环传动齿轮与内环传动丝杠的一端啮合，内环传动丝杠的另一端通过丝母与氮气弹簧的一端连接，氮气弹簧的另一端连接内环，内环传动丝杠旋转能够带动内环升降；氮气弹簧初始状态处于最大伸出状态，氮气弹簧能够压缩提供柔性加持力支撑待夹持目标物(喷管)。

本发明的手爪加持力优选方案如下：

选择力为200N的氮气弹簧，初始状态为最大伸出，最大伸出至工作位时压缩26mm，可提供233N的力，三根氮气弹簧的总力为700N，即Fs沿y轴的分力，即F_sy＝700N。

工作位时(工作位时指手抓抱紧待夹持目标物)，手爪围成环的直径d＝275mm，即在待夹持目标物(即为喷管)直径为275mm处抓取。待夹持目标物为空心圆台，两端开口，小端面直径为100mm～120mm，大端面直径为300mm～310mm。

待夹持目标物(即喷管)表面对夹爪的支反力为F_sN，摩擦力为F_sf，合力为F_s。

外环转盘上每个导向槽为进给槽和同心槽连通而成，进给槽对随动器(即槽轮)的有效推力为F_n。基座上开有滑槽对滑块的摩擦力为F_f，滑槽对滑块的支反力F_N。滑槽对滑块接触表面摩擦系数为f＝0.15，手爪的夹持部的的内弧长度l＝68mm；柔性材料选取橡胶，摩擦系数为f_橡胶＝0.6，摩擦角γ_橡胶＝31°。

如图4和图5所示，以L型支架短边的中心为原点，L型支架的短边滑动方向为x轴,L型支架的长边方向为y轴，右手定则确定z轴；

当F_sy＝700N时，Fs在x轴上的力

力矩平衡：L型受到的总力矩：T＝T_s-T_n＝210·F_s-21.5·F_n

其中，Ts为Fs到L型支架短边中心的力矩；Fn为随动器上受到的驱动力；Tn为Fn到L型支架短边中心的力矩；

由总力矩T产生的摩擦力：F_T＝2·f·T/l＝0.93·F_s-0.095·F_n

根据力平衡，求出F_n＝F_sx+F_f+F_T＝F_s·[cos(41°)+f·sin(41°)+0.93]-0.095·F_n

F_n＝1.62·F_s＝1728N

可知作用在待夹持目标物(喷管)外表面的压力为：F_sN＝cosγ_橡胶·F_s＝915N

手爪抓紧时可抵抗的扭矩为：

d为系数取0.275；

手爪与待夹持目标物接触，接触面积按手爪设计的面积计算，为S_总＝n·S_单＝6·125·7＝5250mm²，S_单为单个手爪的接触面积，S_总为所有手爪接触面积，n为手爪数量；表面接触应力为σ＝F_s/S_总＝0.205Mpa

轴承的预紧优选方案如下：

由于空间温差很大，采用定位预紧方式，其预紧载荷随空间环境的变化而变化。要保证旋转机构正常运行，需要选一个合适的初始预紧载荷，使预紧载荷变化时不超过旋转机构正常工作的极限载荷。预紧量过大会出现轴承卡死，且降低轴承寿命。

外环转盘工作时受700N的轴向力，但的轴承尺寸选择很大。考虑到外环转盘的轴承选择很大且上下定位座轴承受力不大，可以不用校核轴承额定动载荷和额定静载荷，只需计算轴承预紧力是否能满足要求。

此预紧方式既能保证在工作状态下都预紧，又不会产生过大的启动力矩，使轴承卡死。

综合性能参数

实际施加垂直方向抓紧力600N～700N(丝杠最大受力700N)

手抓抓紧时可抵抗的扭矩为：220NM～230NM

接触应力0.205Mpa

抓取角度范围±15°

抓取直径行程：270～340mm，手爪开合时间1.5s～1.5s

抓取上下行程：88mm，抓紧所需时间13s

氮气弹簧收缩26mm

电机型号优选如下：

外环传动电机：选择功率70W，电压24V，额定转速6110r/min，额定转矩0.128Nm。行星齿轮箱减速比为216:1

内环传动丝杠所配内环传动电机：选用功率70W，电压24V，额定转速6110r/min，额定转矩0.128Nm的电机；行星齿轮箱减速比为53:1

2.内环传动丝杠型号选择

选用直径Φ20mm，螺距P＝4mm，30度的梯形丝杠，标准型螺帽。

3.内环传动齿轮、外环传动齿轮尺寸选择

标准α＝20°直齿圆柱齿轮

轴承选择

外环转盘：型号为7919A5mm，内径95mm，外径130mm，厚度18mm；

内环转盘：型号为7204A5mm，内径20mm，外径47mm，厚度14mm；

手爪，包括：弧形夹持部、目标物位置检测传感器和夹持力传感器；

弧形夹持部内侧设有弹簧柱塞，能够在靠近待夹持目标物时，起导向作用，使弧形夹持部与待夹持目标物准确对接；目标物位置检测传感器能够实时检测待夹持目标物是否进入可夹持范围；夹持力传感器能够在弧形夹持部夹持住待夹持目标物后测量夹持力，实时调整弧形夹持部的夹持力达到任务要求。

本发明中外环作为整个系统的基座其上下位置是固定的，而内环在丝杠的驱动下可以上下移动。由于内环自带弹簧器，可先用外环将目标物包覆住以防止目标物在定位的过程中脱出。再使内环移动，用内环将目标物柔性定位并抓紧。内环驱动采用外齿轮带丝杠的传动系统。外环驱动采用外齿轮传动。既保证了传动系统柔性又避免了内外环在结构上的冲突。这种交错嵌套式的结构布局在保证结构功能和强度的基础上，均有效的减小了对接的体积和重量，节省了成本。

捕获流程：盘式欠驱动抱紧机构使手爪收缩，将喷管锁定在手爪的内部空间，此时并没有抓紧喷管，这样喷管在手爪内部可有一定的自由量。当内环顶出后，先对喷管进行导向，使喷管、手爪和顶环的轴向重合。随后氮气弹簧压缩，逐步施加锁紧力，使喷管最终固定。

内外圈交错锁紧对接。由于喷管的喷口呈锥形，无对接锁定特征，因此需要采用摩擦力抱紧的方式，而内外圈交错锁紧可在喷管内外壁上产生防转动和偏斜的力矩，保证对接后目标物体的稳定性，防止其偏斜和转动。

内环外紧凑型布局。总体布局采用内外环布局：外环为旋转手爪，旋转盘置于滑槽上端，滑槽基座位于下端且充当支撑作用，这样的布局方式使对接机构结构紧凑，支撑牢固。内环为内壁顶环，置于手爪内部，使结构紧凑。

此方案可先装内部部件，上下板靠三个支撑柱连接，当内部机械和电气都调整好后，再将外壳装上，装外壳需要两步，首先将外壳沿槽导入到顶部，然后将外壳旋转使固定柱转入上下板内。对上孔后即可将外壳固定。

抓紧与顶环的解耦：通过外环中心孔内置顶环的方式，使手爪收缩的运动与顶环顶升的运动解耦，两者不会相互干扰。

本发明采用双电机偏置布置，依靠齿轮传动将扭矩传输到驱动装置上，避免了刚性传动。同时保证了内外环的同心运动。且电机在上下位置上交错布置有效的节省了内部空间。

Claims (9)

1.一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于包括：手爪、外环转盘、内环、基座、外环传动齿轮、内环传动齿轮、氮气弹簧、外壳、内环传动电机、外环传动电机、内环传动丝杠；

外环传动电机工作，带动外环传动齿轮转动，外环传动齿轮转动带动外环转盘转动，外环转盘转动与基座通过轴承连接，基座与外壳连接，外环转盘转动能够使手爪张开或闭合，闭合时能够夹持住待夹持目标物外壁；

内环传动电机工作，带动内环传动齿轮转动，内环传动齿轮与内环传动丝杠的一端啮合，内环传动丝杠的另一端通过丝母与氮气弹簧的一端连接，氮气弹簧的另一端连接内环，内环传动丝杠旋转能够带动内环升降；氮气弹簧初始状态处于最大伸出状态，氮气弹簧能够压缩提供柔性夹持力支撑待夹持目标物；

当外环闭合箍紧待夹持目标物的外壁后，内环传动丝杠旋转带动内环上升，在初始内环上升阶段，氮气弹簧不压缩，氮气弹簧初始状态处于最大伸出状态，当内环接触到待夹持目标物内壁时，氮气弹簧压缩，提供柔性加持力支撑待夹持目标物内壁。

2.根据权利要求1所述的一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于：还包括快插底座，快插底座安装在气浮台上，与外壳连接，实现快速更换功能。

3.根据权利要求1所述的一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于：手爪，包括：弧形夹持部、目标物位置检测传感器和夹持力传感器；

弧形夹持部内侧设有弹簧柱塞，能够在靠近待夹持目标物时，起导向作用，使弧形夹持部与待夹持目标物准确对接；目标物位置检测传感器能够实时检测待夹持目标物是否进入可夹持范围；夹持力传感器能够在弧形夹持部夹持住待夹持目标物后测量夹持力，实时调整弧形夹持部的夹持力达到任务要求。

4.根据权利要求1所述的一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于：外环转盘为圆盘形，一侧设有多个导向槽，每个导向槽由进给槽和同心槽连通而成，进给槽能够推动手爪张合，同心槽能够实现手爪自锁。

5.根据权利要求1所述的一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于：手爪上还设有随动器，外环转盘转动带动手爪上的随动器相对待夹持目标物前后运动，从而带动手爪张开闭合。

6.根据权利要求1所述的一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于：还包括随动器，随动器安装在同心槽与进给槽内，能够沿同心槽与进给槽滑动，当滑入同心槽时锁定位置。

7.根据权利要求2所述的一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于：快插底座，包括：底座本体、旋转柱塞、六维力传感器、航插接头；

底座本体中心安装有六维力传感器，能够实时感知空间对接机构在夹持过程中的六个方向的力，底座本体上设置有旋转柱塞用于固定外壳，底座本体上设有航插接头，能够与内环传动电机、外环传动电机的供电端灵活接插，实现灵活拆卸。

8.根据权利要求2所述的一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于：内环上还设有压盘，压盘设有弹簧柱塞，能够在靠近待夹持目标物时，起导向作用，使内环与待夹持目标物准确对接。

9.根据权利要求2所述的一种内外夹紧式紧凑空间对接机构，其特征在于：内环边缘设有柔性材料，压盘将柔性材料固定在内环边缘；压盘能够实现柔性材料的快速取出更换，柔性材料用于与待夹持目标物柔性接触。

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