CN111439397A - 一种周边式大容差空间对接机构及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种周边式大容差空间对接机构及其工作方法，对接机构包括被动端和主动端，被动端包括被动端筒体和捕获装置，被动端筒体为圆柱形，在被动端筒体的内侧壁安装捕获装置，捕获装置由三个弧形刚性件及其回转铰沿被动端筒体内壁周向均布而成，且三个弧形刚性件及其回转铰在被动端筒体轴向方向上分层布置；主动端包括主动端筒体、缓冲气囊、平移装置和被捕获杆，平移装置使被捕获杆从主动端筒体边缘移动到主动端筒体的中轴线位置，三个弧形刚性件向被动端筒体的中心回转，三个弧形刚性件的重叠区域形成用于捕获主动端的被捕获杆捕获域。本发明大捕获容差和自然通道兼有，提高捕获可靠性和安全性，以及有效载荷传输空间。
Description
技术领域
本发明属于空间对接技术领域，尤其是涉及一种周边式大容差空间对接机构及其工作方法。
背景技术
在空间站运营、在轨建造和组装、在轨服务以及载人航天等任务中，都需要对两个飞行器进行交会对接，通过主动端和被动端的捕获、对接、锁紧建立机械连接实现在轨组合，捕获和对接是交会对接的重要步骤。现有对接机构，按布局形式通常可分为中心布局和周边布局两种形式，中心布局结构紧凑，捕获容差大，但占用中心通道位置，而周边式布局中间有运输通道，但捕获容差小。因此如何实现大捕获容差和自然通道兼有，以提高捕获可靠性和增加有效载荷传输空间是本领域需要解决的问题，本发明旨在通过发明一种周边式布局的大容差捕获的新型对接机构，实现捕获和对接动作。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种周边式大容差空间对接机构及其工作方法，具有捕获大容差的优点，可提高捕获的可靠性和安全性，对接后中心可形成自然通道，具备载荷传输空间大。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种周边式大容差空间对接机构，包括分别安装于两个交会对接的航天器上的被动端和主动端，
所述的被动端包括被动端筒体和捕获装置，所述的被动端筒体为圆柱形，在被动端筒体的底端为内凹的锥形结构，在被动端筒体的内侧壁安装捕获装置，所述的捕获装置由三个弧形刚性件及其回转铰沿被动端筒体内壁周向均布而成，且三个弧形刚性件及其回转铰在被动端筒体轴向方向上分层布置；
所述的主动端包括主动端筒体、缓冲气囊、平移装置和被捕获杆，所述的缓冲气囊嵌在主动端筒体的上端处，所述的缓冲气囊为环形结构；
所述的平移装置布置在主动端筒体的内壁上，所述的平移装置包括第一弧形杆件和第二弧形杆件，所述的第一弧形杆件的一端和第二弧形杆件的一端均通过一铰链安装在主动端筒体的内壁上，所述的第一弧形杆件和第二弧形杆件的另一端均为自由端，所述的被捕获杆底端穿过第一弧形杆件后滑动设置在第二弧形杆件上开设的滑槽内，被捕获杆固定在第一弧形杆件上，被捕捉杆的顶端穿过缓冲气囊的内环；
随着安装在第一弧形杆件上的铰链上的电机二驱动，所述平移装置使被捕获杆从主动端筒体边缘移动到主动端筒体的中轴线位置；
随着安装在回转铰上的电机一驱动，三个弧形刚性件向被动端筒体的中心回转，三个弧形刚性件的重叠区域形成用于捕获主动端的被捕获杆捕获域。
进一步的，电机一未带动弧形刚性件摆动时，三个弧形钢件均完全贴合被动端筒体的内壁，三个弧形刚性件所对应弧形的中心角为大于90°且小于180°。
进一步的，所述第一弧形杆件连接的铰链和第二弧形杆件连接的铰链呈180°分布，且两个铰链的连线通过主动端筒体的中轴线，电机二未带动第一弧形杆件摆动时，第一弧形杆件和第二弧形杆件均完全贴合环形安装架内壁，第一弧形杆件和第二弧形杆件的弧形所对的圆心角为大于90°且小于120°。
进一步的，所述被捕获杆包括竖直设置T型杆、圆柱弹簧、钢丝绳和直杆，T型杆的小截面端与直杆的顶端通过钢丝绳连接，所述的圆柱弹簧两端分别套设在T型杆的下部和直杆的上部。
进一步的，环形的所述缓冲气囊设有缺口，电机二未带动第一弧形杆件摆动时，被捕获杆的顶端穿过缓冲气囊的缺口设置。
进一步的，所述缓冲气囊设有进气管路和排气管路，高压气瓶通过进气管路对缓冲气囊充气，排气管路与低压气瓶相连，在排气管路上安装有主动调压阀，通过抽气泵将低压气瓶中的气体注入高压气瓶中。
进一步的，在三个弧形刚性件的回转铰处均安装一个电机一，三个电机一分别驱动三个弧形刚性件转动，形成捕获区域。
一种周边式大容差空间对接机构的工作方法，包括以下步骤：
1、捕获过程
当需要对接的两个航天器相对的位置和姿态进入对接范围后，启动电机二，主动端的平移装置将被捕获杆移动到主动端筒体中心处，随着被动端的航天器靠近，被动端的捕获装置启动，随着安装在回转铰上的电机一驱动，三个弧形刚性件向主动端筒体中心回转，三个弧形刚性件形成重叠区域形成捕获域，并与主动端的被捕获杆的T型杆的细杆处接触，完成捕获；
2、对接过程
捕获完成后，启动电机三，电机三驱动丝杠旋转带动环形安装支架向下移动，从而带动弧形杆件及被捕获杆向下移动，随着被捕获杆向下移动，被动端的锥形结构与主动端的缓冲气囊接触，缓冲气囊缓冲并调整被动端的姿态，随着缓冲气囊内的气压平衡，缓冲气囊的形状与被动端的锥形结构形状匹配，达到定位，完成对接；
3、复位过程
对接完成后，协同锁紧机构对主动端和被动端锁紧后，被动端的捕获装置的电机一反向驱动，三个弧形刚性件返回到靠近被动端筒体内壁处；电机二反向转动，第一弧形杆件转动，从而带动第二弧形杆件的转动，两个弧形杆件回位，即实现主动端的平移装置复位，同时被捕获杆回到靠近主动端筒体内壁处，此时主动端与被动端对接形成无障碍通道，进行载荷的运输。
相对于现有技术，本发明所述的一种周边式大容差空间对接机构具有以下优势：
本发明所述的一种周边式大容差空间对接机构，
(1)被捕获杆的细杆构型与捕获装置配合形成大容差捕获；对两对接的航天器的姿态要求更低；
(2)缓冲气囊、被捕获杆利用钢丝绳和弹性形成弹性缓冲环节，使捕获对接过程中减小航天器的碰撞；
(3)周边式布局减小了对接机构的尺寸空间，为载荷运输提供更大的空间；
(4)本申请实现了大捕获容差和自然通道兼有，提高捕获可靠性和安全性，以及增加有效载荷传输空间。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种周边式大容差空间对接机构的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种周边式大容差空间对接机构的被动端的主视图；
图3为被动端的俯视图；
图4为主动端的主视图；
图5为主动端的俯视图；
图6为图4的A-A向视图；
图7为平移装置的动作原理简图；
图8为缓冲气囊的作用原理简图；
图9为被捕获杆的结构示意图；
图10为主动端和被动端捕获过程示意图；
图11为主动端和被动端对接过程示意图；
图12为捕获装置和平移装置复位示意图。
附图标记说明：
1-主动端，1-1-主动端筒体，1-2-锥形结构，1-3-捕获装置；
2-被动端，2-1-主动端筒体，2-2-缓冲气囊，2-2-1-进气管路，2-2-2-抽气泵，2-2-3-排气管路，2-2-4-主动调压阀，2-2-5-高压气瓶，2-2-6-低压气瓶，2-3-平移装置，2-3-1-第一弧形杆件，2-3-2-第二弧形杆件，2-3-3-环形安装架，2-3-4-丝杠，2-4-被捕获杆，2-4-1-T型杆，2-4-2-圆柱弹簧，2-4-3-钢丝绳，2-4-4-直杆。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图9所示，一种周边式大容差空间对接机构，包括分别安装于两个交会对接的航天器上的被动端1和主动端2，
所述的被动端1包括被动端筒体1-1和捕获装置1-3，所述的被动端筒体1-1为圆柱形，在被动端筒体1-1的底端为内凹的锥形结构1-2，在主动端筒体1-1的内侧壁安装捕获装置1-3，所述的捕获装置1-3由三个弧形刚性件及其回转铰沿被动端筒体1-1内壁周向均布而成，且三个弧形刚性件及其回转铰在被动端筒体1-1轴向方向上分层布置；
所述的主动端2包括主动端筒体2-1、缓冲气囊2-2、平移装置2-3和被捕获杆2-4，所述的缓冲气囊2-2嵌在主动端筒体2-1的上端处，所述的缓冲气囊2-2为环形结构；
所述的平移装置2-3布置在主动端筒体2-1的内部，所述的平移装置2-3包括第一弧形杆件2-3-1、第二弧形杆件2-3-2、环形安装架2-3-3和丝杠2-3-4，所述的第一弧形杆件2-3-1的一端和第二弧形杆件2-3-2的一端均通过一铰链安装在环形安装架2-3-3上，所述的第一弧形杆件2-3-1和第二弧形杆件2-3-2的另一端均为自由端，所述的被捕获杆2-4底端穿过第一弧形杆件2-3-1后滑动设置在第二弧形杆件2-3-2上开设的滑槽内，被捕获杆2-4固定在第一弧形杆件2-3-1上，被捕捉杆2-4的顶端穿过缓冲气囊2-2的内环，在环形安装架2-3-3上安装驱动第一弧形杆件2-3-1摆动的电机二；
所述的环形安装架2-3-3滑动设置在主动端筒体2-1的内壁上，所述的环形安装支架2-3-3通过螺纹副与丝杠2-3-4配合，所述丝杠2-3-4由固定在主动端筒体2-1内壁上的电机三带动；
电机二驱动第一弧形杆件2-3-1摆动，所述第一弧形杆件2-3-1使被捕获杆2-4从主动端筒体2-1边缘移动到主动端筒体2-1的中轴线位置；安装在回转铰上的电机一驱动弧形刚性件，使三个弧形刚性件向被动端筒体1-1的中心回转，三个弧形刚性件的重叠区域形成用于捕获主动端2的被捕获杆2-4捕获域；电机三驱动丝杠2-3-4旋转带动环形安装支架2-3-3移动。电机一和电机二的安装方式均为：电机的输出轴直接与相应的件连接，相应的件通过铰链支撑在筒壁上或环形安装架。
电机一未带动弧形刚性件摆动时，三个弧形钢件均完全贴合被动端筒体1-1的内壁，三个弧形刚性件所对应弧形的中心角为大于90°且小于180°。
第一弧形杆件2-3-1连接的铰链和第二弧形杆件连接的铰链呈180°分布，且两个铰链的连线通过主动端筒体2-1的中轴线，电机二未带动第一弧形杆件2-3-1摆动时，第一弧形杆件2-3-1和第二弧形杆件2-3-2均完全贴合环形安装架2-3-3内壁，第一弧形杆件2-3-1和第二弧形杆件2-3-2的弧形所对的圆心角为大于90°且小于120°。
被捕获杆2-4包括竖直设置T型杆2-4-1、圆柱弹簧2-4-2、钢丝绳2-4-3和直杆2-4-4，T型杆2-4-1的小截面端与直杆2-4-4的顶端通过钢丝绳2-4-3连接，所述的圆柱弹簧2-4-2两端分别套设在T型杆2-4-1的下部和直杆2-4-4的上部。直杆2-4-4与平移装置2-3的第一弧形杆件2-3-1固结。T型杆2-4-1底部与直杆2-4-4顶部之间连接有钢丝绳2-4-3，两者通过紧配合的圆柱弹簧2-4-2实现形状保持且可相对转动，也可以在捕获过程中缓冲吸能。
环形的所述缓冲气囊2-2设有缺口，电机二未带动第一弧形杆件2-3-1摆动时，被捕获杆2-4的顶端穿过缓冲气囊2-2的缺口设置。
缓冲气囊2-2设有进气管路2-2-1和排气管路2-2-3，高压气瓶2-2-5通过进气管路2-2-1对缓冲气囊充气，排气管路2-2-3与低压气瓶2-2-6相连，在排气管路2-2-3上安装有主动调压阀2-2-4，通过抽气泵2-2-2将低压气瓶2-2-6中的气体注入高压气瓶2-2-5中。缓冲气囊2-2可以自适应被动航天器各方向撞击过程的冲击能缓冲与吸收。
具体工作过程：
缓冲气囊高压气瓶(P2)2-2-5负责对气囊充气使其达到期望压强值P1，对接过程中，可以根据被动航天器的速度、姿态等实时调节气囊中的压强，自适应被动航天器各方向撞击过程的冲击能缓冲与吸收，抽气泵2-2-2把低压气瓶中的气体注入高压气瓶中，从而使得气体可以循环利用。
在三个弧形刚性件的回转铰处均安装一个电机一，即如图3所示，在A、B、C点可分别安装电机一，三个电机一分别驱动三个弧形刚性件转动，形成捕获区域。也可以在其中一个弧形刚性件的回转铰处安装电机一，其余两个弧形刚性件通过钢丝软轴实现联动，形成捕获区域。
如图10-图11所示，一种周边式大容差空间对接机构的工作方法，包括以下步骤：
1、捕获过程
当需要对接的两个航天器相对的位置和姿态进入对接范围后，启动电机二，主动端2的平移装置2-3将被捕获杆2-4移动到主动端筒体2-1中心处，随着被动端1的航天器靠近，被动端1的捕获装置1-3启动，随着安装在回转铰上的电机一驱动，三个弧形刚性件向主动端筒体1-1中心回转，三个弧形刚性件形成重叠区域形成捕获域，并与主动端2的被捕获杆2-4的T型杆2-4-1的细杆处接触，完成捕获；
2、对接过程
捕获完成后，启动电机三，电机三驱动丝杠2-3-4旋转带动环形安装支架2-3-3沿着主动端的轴线向下移动，从而带动弧形杆件及被捕获杆2-4向下移动，随着被捕获杆2-4向下移动，随着平移装置2-3向下移动，被动端1的锥形结构1-2与主动端的缓冲气囊2-2接触，缓冲气囊2-2缓冲并调整被动端1的姿态，随着缓冲气囊2-2内的气压平衡，缓冲气囊的形状与被动端1的锥形结构1-2形状匹配，达到定位，完成对接；
3、复位过程
对接完成后，协同现有的布置在周边的锁紧机构对主动端和被动端锁紧后，被动端1的捕获装置1-3的电机一反向驱动，三个弧形刚性件返回到靠近被动端筒体1-1内壁处；电机二反向转动，第一弧形杆件2-3-1转动，从而带动第二弧形杆件2-3-2的转动，两个弧形杆件回位，即实现主动端2的平移装置2-3复位，同时被捕获杆2-4回到靠近主动端筒体2-1内壁处，此时主动端筒体1-1内部预留通道内无障碍，主动端2与被动端1对接形成无障碍通道，进行载荷的运输。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种周边式大容差空间对接机构，其特征在于：包括分别安装于两个交会对接的航天器上的被动端(1)和主动端(2)，
所述的被动端(1)包括被动端筒体(1-1)和捕获装置(1-3)，所述的被动端筒体(1-1)为圆柱形，在被动端筒体(1-1)的底端为内凹的锥形结构(1-2)，在被动端筒体(1-1)的内侧壁安装捕获装置(1-3)，所述的捕获装置(1-3)由三个弧形刚性件及其回转铰沿主动端筒体(1-1)内壁周向均布而成，且三个弧形刚性件及其回转铰在被动端筒体(1-1)轴向方向上分层布置；
所述的主动端(2)包括主动端筒体(2-1)、缓冲气囊(2-2)、平移装置(2-3)和被捕获杆(2-4)，所述的缓冲气囊(2-2)嵌在主动端筒体(2-1)的上端处，所述的缓冲气囊(2-2)为环形结构；
所述的平移装置(2-3)布置在主动端筒体(2-1)的内部，所述的平移装置(2-3)包括第一弧形杆件(2-3-1)、第二弧形杆件(2-3-2)、环形安装架(2-3-3)和丝杠(2-3-4)，所述的第一弧形杆件(2-3-1)的一端和第二弧形杆件(2-3-2)的一端均通过一铰链安装在环形安装架(2-3-3)上，所述的第一弧形杆件(2-3-1)和第二弧形杆件(2-3-2)的另一端均为自由端，所述的被捕获杆(2-4)底端穿过第一弧形杆件(2-3-1)后滑动设置在第二弧形杆件(2-3-2)上开设的滑槽内，被捕获杆(2-4)固定在第一弧形杆件(2-3-1)上，被捕捉杆(2-4)的顶端穿过缓冲气囊(2-2)的内环，在环形安装架(2-3-3)上安装驱动第一弧形杆件(2-3-1)摆动的电机二；
所述的环形安装架(2-3-3)滑动设置在主动端筒体(2-1)的内壁上，所述的环形安装支架(2-3-3)通过螺纹副与丝杠(2-3-4)配合，所述丝杠(2-3-4)由固定在主动端筒体(2-1)内壁上的电机三带动；
电机二驱动第一弧形杆件(2-3-1)摆动，所述第一弧形杆件(2-3-1)使被捕获杆(2-4)从主动端筒体(2-1)边缘移动到主动端筒体(2-1)的中轴线位置；安装在回转铰上的电机一驱动弧形刚性件，使三个弧形刚性件向被动端筒体(1-1)的中心回转，三个弧形刚性件的重叠区域形成用于捕获主动端(2)的被捕获杆(2-4)捕获域；电机三驱动丝杠(2-3-4)旋转带动环形安装支架(2-3-3)移动。
2.根据权利要求1所述的一种周边式大容差空间对接机构，其特征在于：电机一未带动弧形刚性件摆动时，三个弧形钢件均完全贴合被动端筒体(1-1)的内壁，三个弧形刚性件所对应弧形的中心角为大于90°且小于120°。
3.根据权利要求1所述的一种周边式大容差空间对接机构，其特征在于：所述第一弧形杆件(2-3-1)连接的铰链和第二弧形杆件(2-3-2)连接的铰链呈180°分布，且两个铰链的连线通过主动端筒体(2-1)的中轴线，电机二未带动第一弧形杆件(2-3-1)摆动时，第一弧形杆件(2-3-1)和第二弧形杆件(2-3-2)均完全贴合环形安装架(2-3-3)，第一弧形杆件(2-3-1)和第二弧形杆件(2-3-2)的弧形所对的圆心角为大于90°且小于180°。
4.根据权利要求1所述的一种周边式大容差空间对接机构，其特征在于：所述被捕获杆(2-4)包括竖直设置T型杆(2-4-1)、圆柱弹簧(2-4-2)、钢丝绳(2-4-3)和直杆(2-4-4)，T型杆(2-4-1)的小截面端与直杆(2-4-4)的顶端通过钢丝绳(2-4-3)连接，所述的圆柱弹簧(2-4-2)两端分别套设在T型杆(2-4-1)的下部和直杆(2-4-4)的上部。
5.根据权利要求1所述的一种周边式大容差空间对接机构，其特征在于：环形的所述缓冲气囊(2-2)设有缺口，电机二未带动第一弧形杆件(2-3-1)摆动时，被捕获杆(2-4)的顶端穿过缓冲气囊(2-2)的缺口设置。
6.根据权利要求1所述的一种周边式大容差空间对接机构，其特征在于：所述缓冲气囊(2-2)设有进气管路(2-2-1)和排气管路(2-2-3)，高压气瓶(2-2-5)通过进气管路(2-2-1)对缓冲气囊充气，排气管路(2-2-3)与低压气瓶(2-2-6)相连，在排气管路(2-2-3)上安装有主动调压阀(2-2-4)，通过抽气泵(2-2-2)将低压气瓶(2-2-6)中的气体注入高压气瓶(2-2-5)中。
7.根据权利要求1所述的一种周边式大容差空间对接机构，其特征在于：在三个弧形刚性件的回转铰处均安装一个电机一，三个电机一分别驱动三个弧形刚性件转动，形成捕获区域。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种周边式大容差空间对接机构的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1、捕获过程
当需要对接的两个航天器相对的位置和姿态进入对接范围后，启动电机二，使主动端(2)的平移装置(2-3)将被捕获杆(2-4)移动到主动端筒体(2-1)中心处，随着被动端(1)的航天器靠近，被动端(1)的捕获装置(1-3)启动，随着安装在回转铰上的电机一驱动，三个弧形刚性件向主动端筒体(1-1)中心回转，三个弧形刚性件形成重叠区域形成捕获域，并与主动端(2)的被捕获杆(2-4)的T型杆(2-4-1)的细杆处接触，完成捕获；
2、对接过程
捕获完成后，启动电机三，电机三驱动丝杠(2-3-4)旋转带动环形安装支架(2-3-3)向下移动，从而带动弧形杆件及被捕获杆(2-4)向下移动，随着被捕获杆(2-4)向下移动，被动端(1)的锥形结构(1-2)与主动端的缓冲气囊(2-2)接触，缓冲气囊(2-2)缓冲并调整被动端(1)的姿态，随着缓冲气囊(2-2)内的气压平衡，缓冲气囊的形状与被动端(1)的锥形结构(1-2)形状匹配，达到定位，完成对接；
3、复位过程
对接完成后，协同锁紧机构对主动端和被动端锁紧后，被动端(1)的捕获装置(1-3)的电机一反向驱动，三个弧形刚性件返回到靠近被动端筒体(1-1)内壁处；电机二反向转动，第一弧形杆件(2-3-1)转动，从而带动第二弧形杆件(2-3-2)的转动，两个弧形杆件回位，即实现主动端(2)的平移装置(2-3)复位，同时被捕获杆(2-4)回到靠近主动端筒体(2-1)内壁处，此时主动端(2)与被动端(1)对接形成无障碍通道，进行载荷的运输。
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|---|---|---|---|---|
| CN112319869A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-02-05 | 哈尔滨工业大学 | 一种空间大容差对接装置及锁紧方法 |
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2020
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