CN111409876B - 一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置。其中：安装面板用于与航天器固定连接，第一可展开支架和第二可展开支架的一端分别通过转动铰链与安装面板两侧相对位置进行连接，且连接部位设有扭簧，扭簧的一端固定连接在第一可展开支架和第二可展开支架的连接端，另一端连接在安装面板上；发射状态下，第一可展开支架的配合端和第二可展开支架的配合端采用一个火工品压紧在一起，两个可展开支架和安装面板抱紧多自由度机构，扭簧处于初始压缩状态；在轨展开时，火工品解锁，两个可展开支架在各自扭簧作用下旋转一定角度，实现分离释放，此时，第一弹簧卡座和第二弹簧卡座相对安装，用于将被锁紧多自由度机构的主板固定在安装面板上。

Description

一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置

技术领域

本发明涉及一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，属于航天器在轨服务技术领域。

背景技术

空间机构在发射过程中经历恶劣的正弦、随机振动载荷，需要采用锁紧机构对其进行压紧，在轨执行任务前进行解锁。在轨服务用机构如机械臂、补加接口等结构复杂，具有多个自由度。一般需要采用多个锁紧装置进行压紧。

锁紧装置一般成本高，可靠性低。且一般为单点故障，即任何一个火工品失效会导致产品无法解锁。因此采用多个锁紧装置时，会成为结构的较大风险。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，通过结构优化，对卫星用多自由度机构的发射压紧，以及在轨的复位、存储具有一定通用性。

本发明解决技术的方案是：一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，所述多自由度至少包括多自由度机构本体坐标系三轴平动和转动六自由度，该工具箱装置包括安装面板、第一可展开支架、第二可展开支架、第一弹簧卡座和第二弹簧卡座；其中：

安装面板用于与航天器固定连接，第一可展开支架和第二可展开支架的一端记为连接端，另一端记为配合端，第一可展开支架和第二可展开支架的连接端分别通过转动铰链与安装面板两侧相对位置进行连接，且连接部位设有扭簧，扭簧的一端固定连接在第一可展开支架和第二可展开支架的连接端，另一端连接在安装面板上；发射状态下，第一可展开支架的配合端和第二可展开支架的配合端采用一个火工品压紧在一起，第一可展开支架的配合端和第二可展开支架的配合端高度与被锁紧多自由度机构的上表面紧密贴合，第一可展开支架、第二可展开支架和安装面板抱紧多自由度机构，实现多自由度压紧约束，扭簧处于初始压缩状态；在轨展开时，火工品解锁，两个可展开支架在各自扭簧作用下旋转一定角度，实现分离释放，此时，第一弹簧卡座和第二弹簧卡座相对安装，用于将被锁紧多自由度机构的主板弹性压紧在安装面板上，防止空间环境下被锁紧多自由度机构“飘走”。

所述被锁紧多自由度机构还包括被动柔顺装置，所述被动柔顺装置相对于被锁紧多自由度机构主体存在各向平动和转动自由度，所述工具箱装置还包括阀体座，所述阀体座包括导向孔和配合孔，其中导向孔的一端固定连接在安装面板上，导向孔的另一端连接配合孔，导向孔用于将被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置的端部导入配合孔，配合孔的结构形状与将被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置的端部结构形状相同；发射状态下，被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置与阀体座的配合孔紧密配合，实现被动柔顺装置的各向平动和转动自由度约束；在轨工作完成后，被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置可通过阀体座导向孔顺利进入阀体座，实现工具复位、存储。

所述第一弹簧卡座与第二弹簧卡座结构相同，均包括弹簧基座、弹簧、T 型压块；

弹簧基座固定连接在安装面板上，弹簧基座为一端封闭另一端开口的管壳结构，开口端朝向管壳中心弯折，在开口端形成带有通孔的侧挡圈；弹簧位于弹簧基座管壳内部，弹簧的一端固定连接在弹簧基座封闭端端部，另一端连接 T型压块的大端端部，T形压块大端位于弹簧基座管壳内部，抵住弹簧基座侧挡圈，使得弹簧处于压缩状态，T形压块的小端通过弹簧基座的侧挡圈中心通孔伸出管壳外侧，被锁紧多自由度机构的主板及T形压块的小端设有互相配合的斜面特征，在工作和复位时，通过挤压、克服弹簧基座内的弹簧力实现被锁紧多自由度机构拔出和插入第一弹簧卡座与第二弹簧卡座。

每个可展开支架采用第一连接机构和第二连接机构与安装面板连接，第一连接机构与第二连接机构均包括转动铰链、连接轴和扭簧，其中，转动铰链的外圈与安装面板固定连接，转动铰链的内圈与连接轴的一端固定连接，连接轴的另一端与第一可展开支架或者第二可展开支架的连接端固定连接；扭簧套在连接轴上，扭簧的一端固定连接在第一可展开支架和第二可展开支架的连接端，另一端连接在安装面板上；第一连接机构上的扭簧与第二连接机构上的扭簧位于第一可展开支架或者第二可展开支架两侧呈对称结构布置，扭簧结构相同，采用相反方向施加预变形的方式实现对第一可展开支架和第二可展开支架的同方向预载荷。

所述转动铰链为相互串联N个铰链轴承，N大于等于2。

所述第一可展开支架或者第二可展开支架包括立板和横板两个部分，立板与横板相互垂直连接，立板与安装面板垂直，所述被锁紧多自由度机构主板边缘设有缺口，缺口的宽度与第一可展开支架或者第二可展开支架立板宽度相互配合，使得发射状态时第一可展开支架或者第二可展开支架立板卡入被锁紧多自由度机构边缘的缺口内，实现被锁紧多自由度机构本体坐标系X轴和Y轴方向约束；横板底部设有与安装面板平行的台阶，高度与被锁紧多自由度机构高度一致，实现被锁紧多自由度机构本体坐标系Z轴方向约束。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过两个展开支架在三个方向抱紧多自由度机构的方式，采用一个火工品实现了复杂机构的多自由度同时锁紧，降低成本，提高可靠性；

(2)、本发明锁紧装置采用两个阀体座用于安装工具机构中的浮动阀体，通过阀体座结构配做及其与阀体的紧密配合，实现阀体全部浮动自由度锁紧，结构简单，工艺性好，可靠性高；

(3)、本发明弹簧卡座采用压缩弹簧弹性压紧工具机构，同时实现工具机构在轨不工作期间锁定，防止卫星姿轨控期间末端工具在惯性作用下自行“飘走”，并在工具工作前通过克服压缩弹簧弹力取出；

(4)、本发明火工品通过锁紧两个锁紧可展开支架的结构，而不是采用火工品将工具机构压紧在压紧座上，降低了火工品解锁时的爆炸冲击力对工具机构的损伤，提高可靠性；

(5)、本发明两侧可展开支架采用多个铰链轴承固定，结构紧凑，整机重量轻；采用扭簧驱动展开，结构简单可靠；

(6)、本发明仅采用一个火工品，设计工具箱装置与被锁紧多自由度机构配合的方式实现被锁紧多自由度机构整体、被锁紧多自由度机构浮动组件的完全压紧。

附图说明

图1为本发明实施例工具箱锁紧装置连接关系；

图2(a)为本发明实施例被锁紧多自由度机构压紧状态；

图2(b)为本发明实施例图2(a)A处的局部放大图；

图3为本发明实施例被锁紧多自由度机构展开状态；

图4为本发明实施例工具箱锁紧装置剖视图；

图5为本发明实施例图4中A处的局部放大图；

图6为本发明实施例弹簧卡座与多自由度机构连接关系局部放大图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明主要是提出了一种用于机械臂多自由度机构(以下简称“多自由度工具”)的压紧释放用工具箱装置，所述多自由度至少包括多自由度机构本体坐标系三轴平动和转动六自由度。

如图1所示，一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，包括安装面板、第一可展开支架、第二可展开支架、第一弹簧卡座和第二弹簧卡座；第一可展开支架、第二可展开支架、第一弹簧卡座和第二弹簧卡座等组件安装在安装面板上。其中：

安装面板用于工具箱与航天器固定连接，第一可展开支架和第二可展开支架的一端记为连接端，另一端记为配合端，第一可展开支架和第二可展开支架的连接端分别通过转动铰链与安装面板两侧相对位置进行连接，且连接部位设有扭簧，扭簧的一端固定连接在第一可展开支架和第二可展开支架的连接端，另一端连接在安装面板上；如图2(a)所示，发射状态下，第一可展开支架的配合端和第二可展开支架的配合端采用一个火工品压紧在一起，第一可展开支架的配合端和第二可展开支架的配合端高度与被锁紧多自由度机构的上表面紧密贴合，第一可展开支架、第二可展开支架和安装面板抱紧多自由度机构，实现多自由度压紧约束，扭簧处于初始压缩状态；如图3所示，在轨展开时，火工品解锁，两个可展开支架在各自扭簧作用下旋转一定角度，实现分离释放，此时，第一弹簧卡座和第二弹簧卡座相对安装，用于将被锁紧多自由度机构的主板弹性压紧在安装面板上，防止空间环境下被锁紧多自由度机构“飘走”。

由上可知，本发明通过两个展开支架在三个方向抱紧多自由度机构的方式，采用一个火工品实现了复杂机构的多自由度同时锁紧，降低成本，提高可靠性。此外，两个可展开支架安装在安装面板两侧，支架根部采用轴承作为转动铰链进行约束支撑，分别采用扭簧对铰链的转动和固定部分进行弹性定位。在火工品解锁后在扭簧作用下自动展开，整机无其它电机驱动组件，结构简单可靠。

如图2(b)所示，第一可展开支架或者第二可展开支架包括立板和横板两个部分，立板与横板相互垂直连接，立板与安装面板垂直，所述被锁紧多自由度机构主板边缘设有缺口，缺口的宽度与第一可展开支架或者第二可展开支架立板宽度相互配合，使得发射状态时第一可展开支架或者第二可展开支架立板卡入被锁紧多自由度机构边缘的缺口内，可展开支架的立板形状与被锁紧多自由度机构的主板紧对应缺口紧密贴合，实现被锁紧多自由度机构本体坐标系X 轴和Y轴方向约束；横板底部设有与安装面板平行的台阶，高度与被锁紧多自由度机构高度一致，可展开支架高度与被锁紧多自由度机构的上表面紧密贴合，实现被锁紧多自由度机构本体坐标系Z轴方向约束，即实现高度方向的高刚度压紧约束。

所述第一弹簧卡座与第二弹簧卡座结构相同，均包括弹簧基座、弹簧、T 型压块。

如图4和图5所示，每个可展开支架采用第一连接机构和第二连接机构与安装面板连接，第一连接机构与第二连接机构均包括转动铰链、连接轴和扭簧，其中，转动铰链的外圈与安装面板固定连接，转动铰链的内圈与连接轴的一端固定连接，连接轴的另一端与第一可展开支架或者第二可展开支架的连接端固定连接；扭簧套在连接轴上，扭簧的一端固定连接在第一可展开支架和第二可展开支架的连接端，另一端连接在安装面板上；第一连接机构上的扭簧与第二连接机构上的扭簧位于第一可展开支架或者第二可展开支架两侧呈对称结构布置，扭簧结构相同，采用相反方向施加预变形的方式实现对第一可展开支架和第二可展开支架的同方向预载荷。所述转动铰链为相互串联N个铰链轴承，N 大于等于2。通过串联小型轴承可实现产品紧凑的结构尺寸和尽可能小的重量，并满足大的承载要求，确保发射振动等力学环境时，被压紧机构可靠锁紧。

如图6所示，弹簧基座固定连接在安装面板上，弹簧基座为一端封闭另一端开口的管壳结构，开口端朝向管壳中心弯折，在开口端形成带有通孔的侧挡圈；弹簧位于弹簧基座管壳内部，弹簧的一端固定连接在弹簧基座封闭端端部，另一端连接T型压块的大端端部，T形压块大端位于弹簧基座管壳内部，抵住弹簧基座侧挡圈，使得弹簧处于压缩状态，T形压块的小端通过弹簧基座的侧挡圈中心通孔伸出管壳外侧，被锁紧多自由度机构的主板及T形压块的小端设有互相配合的斜面特征，该斜面特征可实现在工作和复位时，通过被压紧机构主板向下的运动产生横向的分离，挤压、克服弹簧基座内的弹簧力实现被锁紧多自由度机构拔出和插入第一弹簧卡座与第二弹簧卡座。

当被锁紧多自由度机构还包括被动柔顺装置时，所述被动柔顺装置相对于被锁紧多自由度机构主体存在各向平动和转动自由度，所述工具箱装置还包括阀体座，所述阀体座包括导向孔和配合孔，其中导向孔的一端固定连接在安装面板上，导向孔的另一端连接配合孔，导向孔用于将被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置的端部导入配合孔，配合孔的结构形状与将被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置的端部结构形状相同；发射状态下，被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置与阀体座的配合孔紧密配合，实现被动柔顺装置的各向平动和转动自由度约束；在轨工作完成后，被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置可通过阀体座导向孔顺利进入阀体座，实现工具复位、存储。

本发明的某一具体实施例中，被锁紧多自由度机构包括两个活动阀体，活动阀体的外形为圆柱形，相应的工具箱装置包含两个阀体座，两个阀体座采用上端锥面导向孔+圆柱面配合孔结构，发射时被压紧的产品的浮动阀体下端圆柱结构与阀体座的圆柱面紧密配合，实现多自由度浮动阀体的各向平动约束；在轨工作完成后，阀体可通过阀体座上端锥面导向孔顺利进入阀体座，实现工具复位、存储。

由上可知，本发明仅采用一个火工品，设计锁紧机构与被锁紧多自由度机构配合的方式实现被锁紧多自由度机构整体、被锁紧多自由度机构浮动组件的完全压紧；采用压缩弹簧、扭转弹簧实现了多自由度工具的展开释放、复位存储，大幅减少火工品使用数量，取消了电机等有源驱动组件，作为机械臂工具箱，重量轻，性能可靠。选用的部、组件均为商业成熟产品，装配采用成熟工艺，机构使用、操作简便。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，所述多自由度至少包括多自由度机构本体坐标系三轴平动和转动六自由度，其特征在于包括安装面板、第一可展开支架、第二可展开支架、第一弹簧卡座和第二弹簧卡座；其中：

安装面板用于与航天器固定连接，第一可展开支架和第二可展开支架的一端记为连接端，另一端记为配合端，第一可展开支架和第二可展开支架的连接端分别通过转动铰链与安装面板两侧相对位置进行连接，且连接部位设有扭簧，扭簧的一端固定连接在第一可展开支架和第二可展开支架的连接端，另一端连接在安装面板上；发射状态下，第一可展开支架的配合端和第二可展开支架的配合端采用一个火工品压紧在一起，第一可展开支架的配合端和第二可展开支架的配合端高度与被锁紧多自由度机构的上表面紧密贴合，第一可展开支架、第二可展开支架和安装面板抱紧多自由度机构，实现多自由度压紧约束，扭簧处于初始压缩状态；在轨展开时，火工品解锁，两个可展开支架在各自扭簧作用下旋转一定角度，实现分离释放，此时，第一弹簧卡座和第二弹簧卡座相对安装，用于将被锁紧多自由度机构的主板弹性压紧在安装面板上，防止空间环境下被锁紧多自由度机构“飘走”；

所述被锁紧多自由度机构还包括被动柔顺装置，所述被动柔顺装置相对于被锁紧多自由度机构主体存在各向平动和转动自由度，所述工具箱装置还包括阀体座，所述阀体座包括导向孔和配合孔，其中导向孔的一端固定连接在安装面板上，导向孔的另一端连接配合孔，导向孔用于将被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置的端部导入配合孔，配合孔的结构形状与将被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置的端部结构形状相同；发射状态下，被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置与阀体座的配合孔紧密配合，实现被动柔顺装置的各向平动和转动自由度约束；在轨工作完成后，被锁紧多自由度机构的被动柔顺装置可通过阀体座导向孔顺利进入阀体座，实现工具复位、存储。

2.根据权利要求1所述的一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，其特征在于所述第一弹簧卡座与第二弹簧卡座结构相同，均包括弹簧基座、弹簧、T型压块；

弹簧基座固定连接在安装面板上，弹簧基座为一端封闭另一端开口的管壳结构，开口端朝向管壳中心弯折，在开口端形成带有通孔的侧挡圈；弹簧位于弹簧基座管壳内部，弹簧的一端固定连接在弹簧基座封闭端端部，另一端连接T型压块的大端端部，T形压块大端位于弹簧基座管壳内部，抵住弹簧基座侧挡圈，使得弹簧处于压缩状态，T形压块的小端通过弹簧基座的侧挡圈中心通孔伸出管壳外侧，被锁紧多自由度机构的主板及T形压块的小端设有互相配合的斜面特征，在工作和复位时，通过挤压、克服弹簧基座内的弹簧力实现被锁紧多自由度机构拔出和插入第一弹簧卡座与第二弹簧卡座。

3.根据权利要求1所述的一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，其特征在于每个可展开支架采用第一连接机构和第二连接机构与安装面板连接，第一连接机构与第二连接机构均包括转动铰链、连接轴和扭簧，其中，转动铰链的外圈与安装面板固定连接，转动铰链的内圈与连接轴的一端固定连接，连接轴的另一端与第一可展开支架或者第二可展开支架的连接端固定连接；扭簧套在连接轴上，扭簧的一端固定连接在第一可展开支架和第二可展开支架的连接端，另一端连接在安装面板上；第一连接机构上的扭簧与第二连接机构上的扭簧位于第一可展开支架或者第二可展开支架两侧呈对称结构布置，扭簧结构相同，采用相反方向施加预变形的方式实现对第一可展开支架和第二可展开支架的同方向预载荷。

4.根据权利要求1所述的一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，其特征在于所述转动铰链为相互串联N个铰链轴承，N大于等于2。

5.根据权利要求1所述的一种用于多自由度机构锁紧的工具箱装置，其特征在于所述第一可展开支架或者第二可展开支架包括立板和横板两个部分，立板与横板相互垂直连接，立板与安装面板垂直，所述被锁紧多自由度机构主板边缘设有缺口，缺口的宽度与第一可展开支架或者第二可展开支架立板宽度相互配合，使得发射状态时第一可展开支架或者第二可展开支架立板卡入被锁紧多自由度机构边缘的缺口内，实现被锁紧多自由度机构本体坐标系X轴和Y轴方向约束；横板底部设有与安装面板平行的台阶，高度与被锁紧多自由度机构高度一致，实现被锁紧多自由度机构本体坐标系Z轴方向约束。

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