CN110775305A - 一种模块化对接机构的自锁式平面连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化对接机构的自锁式平面连接装置，基于蜗轮蜗杆自锁基本原理，电动机利用减速器将高转速、小扭矩的力转化为低转速、大扭矩的力，减速器通过带动涡杆旋转，从而带动齿条，使得两个齿条相向运动，再通过齿轮齿条传动方式，带动两对钩爪反向旋转，实现抱紧与锁死。本发明通过采用错开90度角的同型异构装置布局，可以实现空间变构型模块间的可靠的连接及锁死，避免了公母型的设计方案，具有结构紧凑、连接后无需耗能维持、自锁可靠性高、设计方案工程实用性强的特点，满足了有限控制单元、有限安装空间的变构型模块的连接需求。

Description

一种模块化对接机构的自锁式平面连接装置

技术领域

本发明涉及航天技术，具体涉及一种平面连接装置。

背景技术

随着科学技术的快速发展，空间系统的数量、水平及能力不断提高，空间操作日益复杂、多样。随着分系统、有效载荷数量和质量的增加，原本巨大的航天器构型日趋复杂多样，多数有效载荷为满足实现预定功能的需要，对总体构形提出了更多的要求(如：星敏感器、形态测量分系统、机械臂、连接机构、武器载荷等均要求安装于航天器设计方案的+X面等)。而面向具体任务的传统航天器构形单一，有效载荷安装面积有限，空间利用率低，严重制约了航天器在轨执行任务时空间的扩展。变构型航天器能够通过改变自身的构型，改变应用载荷的姿态与位置，实现星载载荷的不同阵列方式。

变构型航天器一般采用模块化设计，由相同的模块组成复杂的构型。变构型航天器模块之间不仅能进行相对位置的变化，而且能够自主的完成断开与连接。现有的连接装置有电磁式连接、机械式连接等。电磁式连接方式是在铁芯上缠绕线圈，通过控制电流的通断，控制连接机构的磁性，在目标模块的相应位置安装有铁块，从而实现对目标的吸引与释放，为了确保目标在磁场范围内，这样方式要求装置铁芯和电流足够的大，这样会增大整个装置的重量和功耗。而且变构型模块有很多个连接面，在模块与模块连接过程中，为了使两个模块的任意两个面能够实现连接，主动连接单元和被连接单元应设计成相同构型错开90角度进行布局。

现有的机械连接方案分析：

申请公开号为CN105173123A的中国专利“一种电磁自锁平面连接装置”的设计方案存在如下问题：其动力装置设置为电磁弹簧式，抓捕抱紧后，连接状态的维持依靠的是弹簧的弹力。这种柔性的力会极大地降低模块连接间的连接可靠性，加剧航天器系统运动中的微震动效应，对于航天器系统而言具有一定的安全隐患，同时降低航天器工作性能(例如，模块上安装的光学影像相机，其成像效果极易受振动影响)。

申请公开号为CN105035369A的中国专利“一种变构型模块丝杠自锁平面连接装置”的设计方案存在以下问题：

1.其通过丝杠自锁原理将电动机输出的转动运动转化为直线运动，随后用螺母的直线运动去驱动带有开放式凹槽的一种钩爪，来实现钩爪转动，这种直线运动变为转动的传动相对于转动带动转动的传动而言，不够平稳，易造成连接过程中的振动；

2.为了使螺母能够运动，螺母的下面还贯穿于一个悬臂梁之中，在电机转动的过程中，为了使螺母不旋转，该悬臂梁受到较大的横向弯曲力，同时加大了螺母与该悬臂梁间的摩擦，所以传动效率低、功耗高，也增加了悬臂梁多次工作后断裂的风险；

3.丝杠传动存在反向行程间隙，每次反转解锁时均会对同一处丝杠和螺母配合的螺纹和丝杠下面的悬臂梁造成反复的冲击，在该处容易产生疲劳裂纹。

申请公开号为CN105129113A的中国专利“一种变构型模块单电机驱动连接装置”的设计方案存在以下问题：

1.在该方案示意图中，电动机欠缺减速器装置，并且把电机和电机抱闸机构画得很小，从而，整个装置看似体积小紧凑，实则一定程度上不符合工程实际；电机抱闸机构即使是电磁式抱闸机构体积也不小，而且不考虑减速器直接采用电动机驱动钩爪也明显不符合工程实际需要；

2.电机抱闸机构普遍采用断电后借助弹簧力作用于闸瓦，来对电机轴施加摩擦阻力矩实现锁死，但在航天器因自身运动或者在抵御常规空间碎片撞击产生振动后，易使电机轴和摩擦片间存在相对运动的可能性，从而导致模块间的连接产生松动。

对于航天器系统设计而言，在成本允许的范围内首要的任务就是要确保可靠性和工程实用性，所有的优化设计均应建立在保证可靠性和工程实用性的基础之上。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种模块化对接机构的自锁式平面连接装置，采用高效的传动方式，配合切实可行的机构设计，来完成空间模块间的可靠连接与锁死。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模块化对接机构的自锁式平面连接装置，包括双头轴电机、减速器、蜗杆、直齿轮、可转动钩爪、齿条和定位通孔。

所述的双头轴电机安装在待对接平面背离对接对象的一侧，两个输出轴分别通过减速器驱动一个蜗杆转动；两条平行的齿条两端均设有齿形，一端与蜗杆啮合，在蜗杆的驱动下带动齿条沿自身轴向往复运动，另一端与分别与一个直齿轮啮合；所述的直齿轮的轮轴平行于待对接平面，且作为可转动钩爪的转动轴；当双头轴电机通过齿条带动直齿轮转动时，可转动钩爪的伸出端穿过待对接平面上的限位通孔，以及对接对象的待对接平面上的定位通孔，将对接对象抓紧并锁死。

所述的两个齿条在双头轴电机的带动下相向运动，带动连接两个齿条的可转动钩爪反向转动。

所述的直齿轮在轮轴两端分别固连一个可转动钩爪。

所述的定位通孔与限位通孔呈九十度角相互垂直布设，两个对接对象的待对接平面相互错开90度角进行连接。

所述蜗杆的结构形式设计为右旋且为轮辐式结构。

所述的可转动钩爪上与对接对象接触的部分装有压力传感器，用以将压力信号转换为电信号，当达到牢固连接设定压力值时，断开双头轴电机的供电。

本发明的有益效果是：由于采用

(1)利用了“蜗杆可以带动涡轮，涡轮不能带动蜗杆”的蜗轮蜗杆自锁原理，自锁可靠性高，连接后，电机断电，即使在航天器因自身运动或者在抵御常规空间碎片撞击产生振动后，模块间的连接不会产生松动，安全可靠，符合航天任务根本性要求。

(2)蜗杆带动齿条向内回缩，齿条带动直齿轮旋转，直齿轮带动两侧键连接的两个钩爪旋转抱紧。在整个过程中，涡轮蜗杆和齿轮齿条两个传动副，齿间均紧密结合，使得整个装置传动效率高，整个对接抱紧过程平稳无冲击。

(3)机构布局合理且比例切合实际，充分考虑实际工程需要，工程实用性强。

(4)抱紧锁死后利用机械自锁原理，无需耗能维持，使得对接抱紧过程中的能耗和控制系统的复杂性低。

附图说明

图1是锁式平面连接装置轴测图；

图2是自锁式平面连接装置示意图(俯视图与仰视图)；

图3是自锁式平面连接装置示意图(侧视图)；

图4是钩爪示意图；

图中，1-双头轴电机，2-减速器，3-蜗杆，4-蜗杆支架，5-直齿轮，6-可转动钩爪，7-齿轮轴支架，8-定位支架，9-齿条，10-直齿轮的轴，11-定位用的通孔，12-钩爪运动限制孔，13-连接平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明所采用的技术方案是：一种用于空间模块化对接的自锁式平面连接装置，包括双头轴电机1、减速器2、蜗杆3、蜗杆支架4、直齿轮5、可转动钩爪6、齿轮轴支架7、定位支架8、齿条9、直齿轮的轴10、定位用的通孔11、钩爪运动限制孔12。

该装置基于蜗轮蜗杆自锁基本原理，安装在变构型模块上任意两个有连接需求的面上。其中，电动机利用减速器将高转速、小扭矩的力转化为低转速、大扭矩的力，从而契合于钩爪旋转抱紧力的性质，满足工程实际需求。随后，减速器通过带动涡杆旋转按摘要图中所示方向旋转，从而，蜗杆带动齿条，使得两个齿条均向内侧移动，再通过齿轮齿条传动方式，带动两对钩爪均向内侧方向的旋转，实现抱紧与锁死。本发明通过采用错开90度角的同型异构装置布局，可以实现空间变构型模块间的可靠的连接及锁死。

所述双头轴电动机与两个同型号对称布置的减速器连接，从而使得对接过程中的两对钩爪能够同时动作，保障抓捕锁紧过程的平稳进行。

所述蜗杆对称地布置有两个，旋向相同，均为右旋，从而保证两个对称布置的齿条均能够向平面内侧作回收运动，从而保证两对钩爪均向内侧方向进行旋转抱紧与锁死。

所述颖齿条对称布置在电动机两侧，其前端加工有涡轮的齿形，即其前端可以被看作沿圆周展开形式的涡轮；其中段是未加工光滑部分；其末端是与直齿轮配合的齿条部分。齿条的前端与蜗杆配合，末端与直齿轮配合。

所述连接定位通孔与另外一个连接面上错开90度角安装的同型该装置的两对钩爪相配合，起到抱紧定位的作用。

在整个抓捕连接和松开释放运动的过程中，齿条自始至终均被限制在三个定位支架中，避免了退出后难以再次进入而导致卡死情况的发生。

所述蜗杆的结构形式设计为轮辐式结构，以减少蜗杆重量，确保工程实用性强。

所述钩爪上与对接面接触部分装有压力传感器，用以将压力信号转换为电信号并反馈给控制系统，以此来实现当达到牢固连接设定压力值时，即刻断开电机供电

如图3所示，所述蜗杆的结构形式设计为右旋且为轮辐式结构，以减少蜗杆重量，确保工程实用性强。

本发明的实施例提供了一种新颖可靠的用于空间模块化对接的自锁式平面连接装置，该装置被安装于变构型模块上任意两个有连接需求的面上。

如图1所示，电动机1利用减速器2将高转速、小扭矩的力转化为低转速、大扭矩的力，从而契合于钩爪旋转抱紧力的性质，满足工程需求。随后，减速器通过带动涡杆旋转按摘要图中所示方向旋转，从而，蜗杆带动齿条，使得两个齿条均向内侧移动，再通过齿轮齿条传动方式，带动两队钩爪均向内侧方向的旋转，实现抱紧与锁死。

如图1所示，所述齿条的前端加工有涡轮的齿形，即其前端可以被看作沿圆周展开形式的涡轮；其中段是未加工光滑部分；其末端是与直齿轮配合的齿条部分。

如图2所示，所述钩爪对称地用键连接在直齿轮两侧，同时联动作用。一个平面上有两对共四个钩爪，在两平面的连接过程中，将会分别与另外一个连接面上的四个定位通孔相配合。

连接过程：

首先，在视觉辅助系统的帮助下，先将模块的两个待连接平面运动到平行相对位置并保持一定安全距离。

随后，将两个模块需要连接的两个平面旋转，使得同型的该装置呈错开90度角相对。

接着，在两个连接面上的装置中钩爪均处于完全打开状态下，开始缩短两连接面间的距离，使得自身钩爪恰好插入对方定位通孔中。

当视觉系统检测两平面距离接近到设定距离值时，开始给电机供电，驱动钩爪彼此抱紧对方定位通孔。

钩爪上与对接面接触部分装有压力传感器，用以将压力信号转换为电信号并反馈给控制系统，以此来实现当达到牢固连接设定压力值时，即刻断开电机供电，实现断电后的自锁可靠连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，依据本发明技术实质所作的修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化对接机构的自锁式平面连接装置，包括双头轴电机、减速器、蜗杆、直齿轮、可转动钩爪、齿条和定位通孔，其特征在于：所述的双头轴电机安装在待对接平面背离对接对象的一侧，两个输出轴分别通过减速器驱动一个蜗杆转动；两条平行的齿条两端均设有齿形，一端与蜗杆啮合，在蜗杆的驱动下带动齿条沿自身轴向往复运动，另一端与分别与一个直齿轮啮合；所述的直齿轮的轮轴平行于待对接平面，且作为可转动钩爪的转动轴；当双头轴电机通过齿条带动直齿轮转动时，可转动钩爪的伸出端穿过待对接平面上的限位通孔，以及对接对象的待对接平面上的定位通孔，将对接对象抓紧并锁死。

2.根据权利要求1所述的模块化对接机构的自锁式平面连接装置，其特征在于：所述的两个齿条在双头轴电机的带动下相向运动，带动连接两个齿条的可转动钩爪反向转动。

3.根据权利要求1所述的模块化对接机构的自锁式平面连接装置，其特征在于：所述的直齿轮在轮轴两端分别固连一个可转动钩爪。

4.根据权利要求1所述的模块化对接机构的自锁式平面连接装置，其特征在于：所述的定位通孔与限位通孔呈九十度角相互垂直布设，两个对接对象的待对接平面相互错开90度角进行连接。

5.根据权利要求1所述的模块化对接机构的自锁式平面连接装置，其特征在于：所述蜗杆的结构形式设计为右旋且为轮辐式结构。

6.根据权利要求1所述的模块化对接机构的自锁式平面连接装置，其特征在于：所述的可转动钩爪上与对接对象接触的部分装有压力传感器，用以将压力信号转换为电信号，当达到牢固连接设定压力值时，断开双头轴电机的供电。

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