CN110979751B - 一种用于货盘与空间站对接的停泊装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，通过主动端上由驱动机构驱动丝杠传动的动平台升降控制手爪，配合被动端周向设计的凹槽实现主动端与被动端的对接。手爪上沿自身轴线设计有导向口，与主动端外壁周向上设计的凹槽顶部内安装的导向销配合实现手爪运动导向。动平台周向定位通过动平台周向凸台上的滚轮与主动端外壳上的凹槽配合。同时设计主动端与被动段端面上的弹簧导杆与导向定位孔配合，实现对接导向以及快速分离。还设计了手动驱动机构实现手爪的手动控制。本发明连接稳定可靠，结构简单，重量小。

Description

一种用于货盘与空间站对接的停泊装置

技术领域

本发明属于空间站货物运输领域，具体来说是一种用于货盘与空间站对接的停泊装置。

背景技术

随着我国航天技术的发展，空间站的建立与发展是空间技术的重要集成与体现。未来我国空间站在轨飞行期间，需要空间货物资源的补给，需要将地面物资输送到空间站，实现空间货物在空间站的停靠。

空间货物将由货运飞船输送至空间预定区域，由空间站机械臂操作将货盘系统拉出并转移至空间站，与空间站舱体实现对接停靠与解锁分离。

停泊装置用于货盘或大型载荷在空间站的停泊，由于货盘或大型载荷通常尺度较大，而停泊装置受限于重量和尺寸约束，通常较小，故空间站、停泊装置、货盘(或大型载荷)构成了哑铃型布局，两端大脑袋、中间细脖子，而处于中间位置的停泊装置就是该哑铃的细脖子。哑铃型构型对停泊装置的潜在需求是脖子“短而粗”，若脖子“细而长”会恶化整个系统的受力状况。所以停泊装置设计时通常要求，结构紧凑，包络尺寸小、承载能力大。而这种苛刻要求会间接降低停泊装置的可靠性，导致故障概率增加，而在轨设施维修操作会航天员带来困难，故排故的方法和步骤越简单越好。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种稳定可靠，结构简单，重量小、包络紧凑的停泊装置，采用捕获与对接同源驱动设计、轮槽式捕获手爪，有效满足了停泊装置设计时结构紧凑，包络尺寸小、承载能力大的需求；采用自动控制与手动控制同轴的设计模式，当自动控制故障时，航天员通过简单转动手驱杆即可完成排故。

本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置，包括安装在空间站舱体接口的被动端和安装在空间货盘上的主动端两部分；被动端为空间站舱体接口承力件，无主动运动机构；被动端整体为筒状结构，末端固定安装于空间站舱体接口处，前端面为被动端对接面。

所述被动端对接面上设计有被动端电连接器、导向定位孔。其中，被动端电连接器在靠近被动端中轴线位置的内圈周向等角度间隔设计三个，位于被动端对接面上的电连接器槽口内；被动端外壁周向等角度间隔设计有三个锁紧槽，用于与主动端上的手爪锁紧机构在对接时配合；锁紧槽沿被动端轴向设计，截面呈梯形状，外侧宽度大于内侧宽度，锁紧槽外端，位于被动端对接面位置具有对接台。

导向定位孔在被动端对接面外圈上周向等角度间隔设计有三个，用于在对接时与主动端上安装的三个导杆配合插接；且导杆采用弹簧杆，端部可伸缩，通过导杆与导向定位孔间配合，实现对接导向，且通过弹簧的弹力实现主动端与被动端间的快速分离。

所述主动端，底部设计有驱动舱，顶部为主动端对接面；主动端内部包括三个手爪、动平台、丝杠、驱动机构与导向销。

三个手爪为杆状结构，顶部具有对接头，中部为对接臂，底部为连接臂。手爪的对接头向内弯折，底面为平面；且对接头形状为梯形，与被动端1周向锁紧槽尺寸匹配，夹角位置圆滑过渡。同时连接臂向内弯折。三个手爪周向等角度间隔设置，对接头均朝向动平台轴线，三个连接臂端部分别铰接于动平台周向等间隔安装的三个铰接座上，且初始状态时，三个手爪的对接臂位于主动端外壁周向上设计的沿主动端轴向的凹槽内，同时三个手爪的对接头位置高于主动端的对接面。

上述三个手爪上沿自身轴线设计有导向口。同时在主动端外壁周向上设计的凹槽顶部内安装有导向销，该导向销穿过导向口后两端分别与其所在凹槽两侧壁间固定，用于手爪运动导向。

所述动平台的上下运动由驱动仓内安装的驱动机构驱动，丝杠传动实现；动平台周向上等间隔设计有三个矩形凸台，分别与主动端外壳上的凹槽配合，使三个凸台分别位于三个凹槽内；且通过凸台上安装的滚轮架上的滚轮与凹槽侧壁配合，实现动平台周向限位，且减小动平台移动时凸台与凹槽间的摩擦阻力。

当货盘系统与空间站进行对接时，货盘系统在机械臂的协助下转移至空间站舱体目标位置附近，随后主动端由控制系统控制电机转动，经蜗轮蜗杆组件带动丝杠转动，推动三个手爪向上运动，三个手爪在导向销作用下，伸出主动端并展开。进一步机械臂将主动端移至三个手爪展开包络尺寸覆盖被动端的范围内，此时由控制系统控制电机开始反转，三个手爪进行收拢。收拢过程中三个手爪的对接头分别深入被动端周向三个锁紧槽内，三个手爪在被动端的锁紧槽内继续收拢，对接头沿锁紧槽向被动端对界面方向移动，至对接头底面与三个锁紧槽外端的对接台接触，随后三个手爪继续收拢，使主动端向被动端移动，最终实现对接。

本发明中驱动机构包括电机与蜗轮蜗杆组件。电机通过电机支架固定安装于主动端底部的驱动舱内。蜗轮蜗杆组件包括蜗轮、蜗杆与减速齿轮组。其中，减速齿轮组具有一大两小共三个齿轮，安装于驱动舱内的齿轮架上，两个小齿轮分别固定于电机的输出轴与蜗杆的输出轴上，且均与大齿轮啮合；蜗轮与蜗杆相互啮合，共同安装于驱动舱内的减速箱中。蜗杆通过支架支撑。丝杠底端依次穿过主动端底面以及减速箱外壁与减速箱内部蜗杆固定套接；丝杠上螺纹安装动平台；该动平台周向上与主动端外壳内壁间间隙配合。

本发明中还设计有手动驱动机构，包括手驱杆、防滑帽与手驱支架；其中手驱杆穿过驱动舱侧壁，与驱动舱内安装的手驱支架通过轴承连接，由手驱支架对手驱杆进行支撑；手驱杆的输出端与蜗杆同轴固定，输入端固定有防滑帽。

本发明的优点在于：

1、本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置，由三点连接即可实现均匀受力，连接稳定可靠，结构简单，重量小；

2、本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置，对接爪的运动设计为槽轮式结构，同时锁紧槽为外展式梯形槽，在相同轴向尺寸的前提，可实现更大的手爪展开径向包络尺寸。

3、本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置，主动端上设计弹簧推杆分离机构，在对接过程中与被动端导向定位孔配合，实现货盘系统的导引定向作用；同时在主被动端分离时，提供主被动端分离初始力。

4、本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置，设计有手动驱动机构，在控制器出现故障，可由航天员手动操作手动驱动机构实现主动端与被动端的锁紧与分离动作。

附图说明

图1为本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置结构示意图；

图2为本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置中导杆结构示意图；

图3为本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置中锁紧槽结构示意图；

图4为本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置中手爪结构示意图；

图5为本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置中手爪安装方式示意图；

图6为本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置的驱动机构结构示意图；

图7为本发明用于货盘与空间站对接的停泊装置中动平台周向限位方式示意图。

图中：

1-被动端 2-主动端 3-导杆

4-手爪 5-动平台 6-丝杠

7-驱动机构 8-导向销 9-滚轮

10-手驱杆 11-防滑帽 12-手驱支架

201-主动端电连接器 202-驱动舱 203-凹槽

101-被动端电连接器 102-导向定位孔 103-锁紧槽

104-对接台 301-推杆 302-弹簧

303-套筒 401-对接头 402-对接臂

403-连接臂 404-导向口 501-凸台

701-电机 702-蜗轮 703-蜗杆

704-减速齿轮组

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，包括安装在空间站舱体接口的被动端1和安装在空间货盘上的主动端2两部分，如图1所示。

所述被动端1为空间站舱体接口承力件，无主动运动机构。被动端1整体为筒状结构，末端固定安装于空间站舱体接口处，前端面为被动端对接面，被动端对接面上设计有被动端电连接器101、导向定位孔102。

所述被动端电连接器101在靠近被动端1中轴线位置的内圈周向等角度间隔设计三个，位于被动端对接面上的电连接器槽口内，用于与主动端2上安装的主动端电连接器201配合插接，实现空间站和货盘系统的数据信息传递和供电。上述电连接器槽口为矩形凹槽，被动端101的开口处设计有两个挡板，两个挡板分别通过铰接轴与开口两侧铰接，同时在铰接轴上安装扭簧，扭簧两端分别与铰接轴和被动端1对接面间固定。由此通过两个挡板在被动端电连接器101开口处形成双开门结构，在对接过程中，主动端电连接器201与被动端电连接器101插接时，两个挡板受力向电连接器槽口内侧打开，使主动端电连接器201可进入电连接器槽口内，与被动端电连接器插接；当主动端电连接器201拔出时，两个挡板受扭簧作用回位，此时由两个挡板使电连接器槽口内部密封，对被动端电连接器101进行保护。

所述导向定位孔102在被动端1对接面外圈上周向等角度间隔设计有三个，用于在对接时与主动端2上安装的三个导杆3配合插接，实现主动端与被动端对接时的导向。本发明中设计导杆3为弹簧杆，包括推杆301、弹簧302与套筒303，如图2所示。其中，推杆301分别置于主动端对接面周向等角度间隔开设的通孔内，顶部由主动端对接面上表面伸出的位置分别与被动端上三个导向定位孔102位置对应。推杆301底部周向具有环形台肩，与主动端2对接面下表面配合，实现推杆301向上运动的限位。套筒303固定安装于主动端2对接面下表面，套于推杆301外部。套筒303内部设置有弹簧302，弹簧302两端分别与推杆301底端端面及套筒303底面接触；且通过弹簧302的弹力使推杆301底部台肩紧贴主动端2对接面下表面。上述推杆301位于主动端2对接面上表面外部部分长度大于导向定位孔102的深度。由此在主动端2与被动端1对接过程中，三个推杆301分别与被动端1上的三个导向定位孔102配合插入，实现货盘系统的导引定向作用。当推杆301顶端接触导向定位孔102底面后，推杆301受到压力，弹簧302被压缩蓄能。当对接完毕时，由于弹簧302处于压缩状态，进而当主动端2与被动端1分离，通过弹簧302弹力作用，会在主动端2与被动端1间产生一个反作用力，便于主动端2与被动端1间的快速分离。

如图3所示，被动端1外壁周向等角度间隔设计有三个锁紧槽103，用于与主动端2上的手爪锁紧机构4在对接时配合。该锁紧槽103沿被动端1轴向设计，截面呈梯形状，外侧宽度大于内侧宽度，侧面与底面夹角设计为110°为宜，且夹角位置圆滑过渡。锁紧槽103外端，位于被动端1对接面位置具有对接台104，用于与主动端2上的手爪锁紧机构4在对接时的配合。

如图1所示，所述主动端2整体为筒状结构，底部设计有驱动舱202，顶部为主动端对接面。主动端2安装在货盘系统上，内部包括三个手爪4、动平台5、丝杠6、驱动机构7与导向销8。三个手爪4为杆状结构，结构相同。如图4所示，手爪4顶部具有对接头401，中部为对接臂402，底部为连接臂403。手爪4的对接头401向内弯折，底面为平面，与对接臂402夹角为90度，夹角位置圆滑过渡，且对接头401形状为梯形，与被动端1周向锁紧槽103尺寸匹配，夹角位置圆滑过渡。连接臂403向内弯折与对接臂402夹角为120度，夹角位置圆滑过渡。三个手爪4周向等角度间隔设置，对接头401均朝向动平台5轴线，三个连接臂302端部分别铰接于动平台5周向等间隔安装的三个铰接座上，使三个手爪4可绕铰接轴转动；且初始状态时，三个手爪4的对接臂402位于主动端2外壁周向上设计的沿主动端2轴向的凹槽203内，同时三个手爪4的对接头401位置高于主动端2的对接面，如图5所示。

上述三个手爪4上沿自身轴线设计有导向口404；同时在主动端外壁周向上设计的凹槽203顶部内安装有导向销8，该导向销8穿过导向口404后两端分别与其所在凹槽203两侧壁间固定，如图4所示。由此在动平台5向上运动过程中，通过导向销8实现三个手爪4的运动导向，使三个手爪4沿对接臂402上的导向口404竖直向上伸出动平台5，当导向销8到达连接臂403时，三个手爪4沿连接臂403上的导向口404运动，向外侧打开。

上述导向销8两端还套有挡套，挡套位于凹槽203侧壁与手爪4之间，配合上具有一定间隙，确保当有外载荷冲击对接头401，使手爪4刚度变低时，能够在侧向进行调节，防止过大冲击导致机构损伤或卡滞；上述间隙不能过大，防止外载荷冲击过大时连接臂403受力过大，即导向销8及挡套的存在将对接抓的受力机构由悬臂梁构型优化为简支梁构型，优化了系统的传力路径。

所述动平台5的上下运动由驱动机构7驱动，丝杠6传动实现。其中，驱动机构7包括电机701与蜗轮蜗杆组件，如图6所示。电机701通过电机支架固定安装于主动端底部的驱动舱内。蜗轮蜗杆组件包括蜗轮702、蜗杆703与减速齿轮组704。其中，减速齿轮组704具有一大两小共三个齿轮，安装于驱动舱内的齿轮架上，两个小齿轮分别固定于电机701的输出轴与蜗杆703的输出轴上，且均与大齿轮啮合。蜗轮702与蜗杆703相互啮合，共同安装于驱动舱内的减速箱中。其中，蜗杆703通过支架支撑。

上述丝杠6与动平台5同轴设置，通过两个轴承安装于主动端2底部固定支架上，通过固定支架保证丝杠6与主动端2间的同轴度。丝杠6底端依次穿过主动端2底面以及减速箱外壁与减速箱内部蜗杆703固定套接。丝杠6上螺纹安装动平台2；该动平台5周向上与主动端2外壳内壁间间隙配合。

动平台5周向上等间隔设计有三个矩形凸台501，分别与主动端2外壳上的凹槽203配合，使三个凸台501分别位于三个凹槽203内，如图7所示；三个凸台501中任意相邻的两个凸台501底部安装有滚轮架，滚轮架上安装有滚轮9；通过滚轮9与凹槽203间贴合限制动平台5的转动，且可减小动平台5移动时凸台501与凹槽203间的摩擦阻力。由此，电机输出动力经蜗轮蜗杆组件减速后，传递到丝杠6，带动丝杠6转动，进而带动动平台5沿丝杠6运动。

本发明中还设计两个滚轮架上的滚轮9横向安装位置不同，使其中一个滚轮9与所在凹槽203顺时针方向一侧侧壁贴合，限制了动平台5顺时针方向的转动，另一个滚轮9与所在凹槽203逆时针方向一侧侧壁贴合，限制了动平台5逆时针方向的转动。

当货盘系统与空间站进行对接时，货盘系统在机械臂的协助下转移至空间站舱体目标位置附近，随后主动端2由控制系统控制电机701转动，经蜗轮蜗杆组件带动丝杠6转动，推动三个手爪4向上运动，三个手爪4在导向销8作用下，伸出主动端2并展开。进一步机械臂将主动端2移至三个手爪展开包络尺寸覆盖被动端1的范围内，此时由控制系统控制电机开始反转，三个手爪4进行收拢。收拢过程中三个手爪4的对接头401分别深入被动端1周向三个锁紧槽103内，三个手爪4在被动端1的锁紧槽103内继续收拢，对接头401沿锁紧槽103向被动端1对界面方向移动，至对接头401底面与三个锁紧槽103外端的对接台接触，随后三个手爪4继续收拢，使主动端2向被动端1移动，最终实现对接。

当货盘系统与空间站进行分离时，主动端2由控制器控制电机701转动，驱动三个手爪4伸出主动端2并展开，实现分离。

在主动端2与被动端1分离后，主动端2由控制器控制电机701转动，驱动三个手爪4收拢至初始状态，货盘系统再次由机械臂转移至规定位置。

同时本发明还设计有手动驱动机构，当控制器出现故障，主动端2不能自动完成预定动作，可由航天员手动操作手动驱动机构实现主动端2与被动端1的锁紧与分离动作。所述手动驱动机构包括手驱杆10、防滑帽11与手驱支架12，如图6所示。其中手驱杆10穿过驱动舱侧壁，与驱动舱内安装的手驱支架12通过轴承连接，由手驱支架12对手驱杆10进行支撑。手驱杆10的输出端与蜗杆703同轴固定，输入端固定有防滑帽11。由此通过转动手驱杆10带动蜗杆703转动，达到由电机驱动蜗杆703转动相同的效果。

Claims (7)

1.一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，包括安装在空间站舱体接口的被动端和安装在空间货盘上的主动端两部分；被动端为空间站舱体接口承力件，无主动运动机构；被动端整体为筒状结构，末端固定安装于空间站舱体接口处，前端面为被动端对接面；其特征在于：被动端对接面上设计有被动端电连接器、导向定位孔；

其中，被动端电连接器在靠近被动端中轴线位置的内圈周向等角度间隔设计三个，位于被动端对接面上的电连接器槽口内；被动端外壁周向等角度间隔设计有三个锁紧槽，用于与主动端上的手爪锁紧机构在对接时配合；锁紧槽沿被动端轴向设计，截面呈梯形状，外侧宽度大于内侧宽度；锁紧槽外端，位于被动端对接面位置具有对接台；

导向定位孔在被动端对接面外圈上周向等角度间隔设计有三个，用于在对接时与主动端上安装的三个导杆配合插接；且导杆采用弹簧杆，端部可伸缩，通过导杆与导向定位孔间配合，实现对接导向，且通过弹簧的弹力实现主动端与被动端间的快速分离；

所述主动端，底部设计有驱动舱，顶部为主动端对接面；主动端内部包括三个手爪、动平台、丝杠、驱动机构与导向销；

三个手爪为杆状结构，顶部具有对接头，中部为对接臂，底部为连接臂；手爪的对接头向内弯折，底面为平面；且对接头形状为梯形，与被动端周向锁紧槽尺寸匹配，夹角位置圆滑过渡；同时连接臂向内弯折；三个手爪周向等角度间隔设置，对接头均朝向动平台轴线，三个连接臂端部分别铰接于动平台周向等间隔安装的三个铰接座上，且初始状态时，三个手爪的对接臂位于主动端外壁周向上设计的沿主动端轴向的凹槽内，同时三个手爪的对接头位置高于主动端的对接面；

上述三个手爪上沿自身轴线设计有导向口；同时在主动端外壁周向上设计的凹槽顶部内安装有导向销，该导向销穿过导向口后两端分别与其所在凹槽两侧壁间固定，用于手爪运动导向；

所述动平台的上下运动由驱动仓内安装的驱动机构驱动，丝杠传动实现；动平台周向上等间隔设计有三个矩形凸台，分别与主动端外壳上的凹槽配合，使三个凸台分别位于三个凹槽内；且通过凸台上安装的滚轮架上的滚轮与凹槽侧壁配合，实现动平台周向限位，且减小动平台移动时凸台与凹槽间的摩擦阻力。

2.如权利要求1所述一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，其特征在于：电连接器槽口为矩形凹槽，被动端的开口处设计有两个挡板，两个挡板分别通过铰接轴与开口两侧铰接，同时在铰接轴上安装扭簧，扭簧两端分别与铰接轴和被动端对接面间固定；由此通过两个挡板在被动端电连接器开口处形成双开门结构。

3.如权利要求1所述一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，其特征在于：导杆包括推杆、弹簧与套筒；其中，推杆置于主动端对接面上开设的通孔内，顶部由主动端对接面上表面伸出；推杆底部周向具有环形台肩，与主动端对接面下表面配合限位；套筒固定安装于主动端对接面下表面，套于推杆外部；套筒内部设置有弹簧，弹簧两端分别与推杆底端端面及套筒底面接触；推杆位于主动端对接面上表面外部部分长度大于导向定位孔的深度。

4.如权利要求1所述一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，其特征在于：上述导向销两端还套有挡套，挡套位于凹槽侧壁与手爪之间，配合上具有一定间隙，确保当有外载荷冲击对接头，使手爪刚度变低时，能够在侧向进行调节，防止过大冲击导致机构损伤或卡滞。

5.如权利要求1所述一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，其特征在于：动平台周向任意两个凸台上安装滚轮架，且滚轮架上的滚轮横向安装位置不同，使其中一个滚轮与所在凹槽顺时针方向一侧侧壁贴合，限制了动平台顺时针方向的转动，另一个滚轮与所在凹槽逆时针方向一侧侧壁贴合，限制了动平台逆时针方向的转动，完成动平台周向限位。

6.如权利要求1所述一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，其特征在于：其中，驱动机构包括电机与蜗轮蜗杆组件；电机通过电机支架固定安装于主动端底部的驱动舱内；蜗轮蜗杆组件包括涡轮、蜗杆与减速齿轮组；其中，减速齿轮组具有一大两小共三个齿轮，安装于驱动舱内的齿轮架上，两个小齿轮分别固定于电机的输出轴与蜗杆的输出轴上，且均与大齿轮啮合；涡轮与蜗杆相互啮合，共同安装于驱动舱内的减速箱中；其中，蜗杆通过支架支撑；丝杠底端依次穿过主动端底面以及减速箱外壁与减速箱内部蜗杆固定套接；丝杠上螺纹安装动平台；该动平台周向上与主动端外壳内壁间间隙配合。

7.如权利要求6所述一种用于货盘与空间站对接的停泊装置，其特征在于：还设计有手动驱动机构，包括手驱杆、防滑帽与手驱支架；其中手驱杆穿过驱动舱侧壁，与驱动舱内安装的手驱支架通过轴承连接，由手驱支架对手驱杆进行支撑；手驱杆的输出端与蜗杆同轴固定，输入端固定有防滑帽。

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