CN111762345A - 一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，包括用于集群模块拼接的对接接口组件、用于产生对接缓冲时所需要电磁力的电磁组件和用于对对接接口组件进行锁紧和解锁的锁紧组件，使用可调节电流大小和方向的电磁组件产生对接缓冲所需要的电磁力，通过对接接口组件实现集群模块的链接，对接接口组件对接完成后可以允许接口进行角度的调节，并通过锁紧组件实现对对接接口组件的锁紧和解锁。本发明降低了接口对接时的对准精度要求，提高链接系统冗余度，允许机构在对接后进行角度的调节，并能够实现接口的锁紧和解锁功能，提高了链接系统灵活性以及可靠性。

Description

一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构

技术领域

本发明涉及航天模块对接领域，具体涉及一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构。

背景技术

随着时代的发展，人类对于从太空获取信息的要求日益增加，卫星在轨执行的科学任务也更加复杂，这导致了卫星体积的增加，以及结构上的复杂化。另一方面，由于卫星是由各个载荷系统以及支撑航天器正常工作的众多子系统构成的，各个系统紧密联系，相互协作，其中任何一个载荷或子系统出现问题都将影响卫星在轨任务的执行，最终使整颗卫星的报废，也造成了正常工作的部件的浪费，以及越来越多的太空垃圾。因此，传统的大型卫星技术已经不能适应当今卫星的在轨任务需求。在此背景下，模块化卫星技术被视为可以适应新时期在轨任务需求的低成本，高可行性方法。

与传统的卫星不同，模块化卫星技术根据任务需求将卫星拆分成各个载荷以及子系统模块，通过模块接口相互拼接成一颗完整卫星，可以通过更换故障模块对模块卫星进行维修，防止有效部件的浪费，降低任务成本。另一方面，可以将每一个单独的卫星作为一个模块，通过对接接口拼接成难以被火箭运载的大型的在轨任务执行机构，例如大口径的太空望远镜镜面。

随着模块化卫星技术的提出，模块化卫星中的重要构成部分，对接机构成为了技术重点的研究内容。对接机构的功能，性能将直接影响最终拼接后的系统。然而传统的在轨交汇对接技术主要通过推力器配合相应敏感器实现，在近距离对接阶段，为避免碰撞，控制精度要求相对比较高，并且容易产生羽流污染和冲击力等方面的问题。对此，利用电磁技术实现在轨交汇对接成为研究热点，尤其是针对电磁对接中的动力学及控制问题。对比基于推力器的对接方式，电磁对接技术不需要消耗燃料，且无对接冲击和羽流污染等优势。在现有技术条件下，由于其所能够提供的电磁力量级较小，仅适用微小型航天器的对接需求。目前模块化卫星技术针对的拼接模块主要为立方星，微纳卫星等体积较小的微纳航天模块，适合使用电磁技术进行对接缓冲任务。电磁对接中对接接口一般为柱状结构，对接面常为平面，要求接口同轴情况下进行对接，使得对接系统的冗余度受到限制，对接时精度要求高，系统在对接完成后不能进行接口间角度的调整，缺乏灵活度，对接系统仅能完成接口对接，功能较为单一等问题。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，解决了现有的电磁对接中对接接口一般为柱状结构，对接面常为平面，使得对接系统的冗余度受到限制，系统在对接完成后不能进行接口间角度的调整，缺乏灵活度，对接系统仅能完成接口对接，功能较为单一等问题。本发明能够在电磁组件提供电磁力，锁紧组件的电机带动锁紧片旋转的情况下实现微纳航天模块的对接，允许对接后角度调节，以及任意方向的锁紧和解锁，实现多功能电磁链接。

技术方案：本发明一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，包括用于集群模块拼接的对接接口组件、用于产生对接缓冲时所需要电磁力的电磁组件和用于对对接接口组件进行锁紧和解锁的锁紧组件；

所述对接接口组件包括第一接口部件和第二接口部件，所述第一接口部件包括第一空心圆柱管和与第一空心圆柱管固定连接的半球壳，所述第二接口部件包括第二空心圆柱管和与第二空心圆柱管固定连接的球头，第一接口部件与第二接口部件对接后，第一接口部件的半球壳将第二接口部件球头的半球面包裹形成空间运动球面副结构，使第一接口部件与第二接口部件能够相对转动进行角度调节；所述第一接口部件的半球壳外侧固定连接有两组对称设置的延伸片，所述延伸片上均安装有锁紧组件，所述锁紧组件将对接后的第一接口部件与第二接口部件进行锁紧和解锁；

所述第一接口部件的第一空心圆柱管内部和第二接口部件的第二空心圆柱管内部均安装有电磁组件，所述电磁组件由缠绕在铁心上的可通电电磁线圈构成，通过改变流经电磁线圈的电流的大小和方向改变所产生的电磁力的大小和方向。

进一步的，所述锁紧组件包括电机，所述电机与延伸片固定连接且电机的机轴穿过延伸片，电机的机轴上固定套设有锁紧片，所述电机的机轴上还固定套设有防止锁紧片掉落的防脱环。通过电机带动锁紧片旋转进行锁紧，锁紧片能够扣紧在第二接口部件球头的球面上，使第一接口部件和第二接口部件保持固定，完成锁紧；通过电机带动锁紧片旋转复位进行解锁，能够允许第一接口部件和第二接口部件恢复可活动状态，完成解锁。

进一步的，所述锁紧片远离电机的一端为圆弧面，所述圆弧面与第二接口部件球头的球面相贴合。

进一步的，所述角度调节的角度范围为0～10°。角度调节指第二接口部件的轴线可在半顶角为10°的圆锥面包围的空间内进行转动。

进一步的，所述电磁组件中可通电电磁线圈均与受控电源电连接。

有益效果：本发明的对接接口采用了空间运动球副面结构，比起传统电磁对接柱状接口，该接口结构具有导向功能，允许对接时端口一定的冗余度，即允许对接接口在一定的轴向偏差下完成对接，降低了对于对接时的姿态精度要求；在对接完成后，能够允许对接接口进行一定的角度调节，从而实现集群模块整体构型的变化，适应多样化的任务需求；相比于传统电磁对接接口单一的对接功能，本发明采用了能够锁紧在对接接口上的锁紧组件，能够实现任意角度的锁紧和解锁，有效提高了链接机构的灵活性和可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为第一接口部件和第二接口部件对接形成空间运动球面副结构示意图；

图3为第一接口部件和第二接口部件之间相对转动角度示意图；

图4为通过改变第一接口部件和第二接口部件之间角度改变集群模块系统整体构型示意图；

图5为改变电磁线圈受到的作用力，从而改变第一接口部件和第二接口部件运动状态结构示意图；

图6为锁紧片结构示意图；

图7为锁紧组件在第二接口部件上锁紧的结构示意图；

图8为锁紧组件锁紧功能结构示意图；

图9为锁紧组件解锁功能结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，包括用于集群模块拼接的对接接口组件、用于产生对接缓冲时所需要电磁力的电磁组件和用于对对接接口组件进行锁紧和解锁的锁紧组件；本发明使用可调节电流大小和方向的电磁组件产生对接缓冲所需要的电磁力，通过对接接口组件实现集群模块的链接，对接接口组件对接完成后可以允许接口进行角度的调节，并通过锁紧组件实现对对接接口组件的锁紧和解锁。

用于集群模块拼接的对接接口组件包括第一接口部件1和第二接口部件2，第一接口部件1包括第一空心圆柱管11和与第一空心圆柱管11固定连接的半球壳12，第二接口部件2包括第二空心圆柱管21和与第二空心圆柱管21固定连接的球头22，对接时，第一接口部件1的半球壳12和第二接口部件2的球头22相互对接；

其中，第二接口部件2的球头22外径与第一接口部件1的半球壳12内径相同，因此第一接口部件1与第二接口部件2对接后，第一接口部件1的半球壳12能够将第二接口部件2球头22的半球面包裹形成空间运动球面副结构，如图2所示；

由于球副面对接接口为光滑的球面接触面，且第一接口部件1与第二接口部件2可活动，第一接口部件1与第二接口部件2对接后能够在对接的情况实现相对运动，即第一接口部件1或第二接口部件2绕第二接口部件2的球头22球心进行转动，实现第一接口部件1和第二接口部件2之间相对转动进行角度调节，如图3所示；本实施例中机构在对接后允许角度调节的角度范围为0～10°之间，角度调节指第二接口部件2的轴线可在半顶角为10°的圆锥面包围的空间内进行转动，通过第一接口部件1与第二接口部件2之间角度的调节，能够改变集群系统的整体构型，从而提高系统的灵活性，如图4所示；

第一接口部件1的第一空心圆柱管11内部和第二接口部件2的第二空心圆柱管21内部均安装有电磁组件，电磁组件由缠绕在铁心3上的可通电电磁线圈4构成，针对缓冲所需要的电磁力大小和方向，通过改变流经电磁线圈4的电流的大小和方向改变所产生的电磁力的大小和方向；电磁组件中可通电电磁线圈4均与受控电源9电连接；

由于电磁线圈4会在周围的空间中激发磁场，根据毕奥-萨伐尔定律，长度为l的电磁线圈4通以电流I，电流元

在空间任一点P所激发的磁感应强度

为：

其中：μ₀为真空磁导率，

为由电流源指向场点P的位置矢量，

矢量为线圈微元，大小为线圈长度微元，方向为线圈微元内电流方向，根据此公式进行积分可以求出电磁线圈4在空间任意一点激发的磁场大小和方向，由于电流元

在磁场中会受到安培力作用：

则可根据此公式进行积分，得到载流线圈在磁场中受到的安培力大小：

在本实施例中，电磁组件为两组即电磁线圈4为两组，分别安装在第一接口部件1与第二接口部件2的空心圆柱管内，因此主要计算电磁线圈4在另外一组电磁线圈4产生的磁场中所受到的安培力，该力能够对对接的两个集群模块产生对接时的缓冲作用，从而实现柔性对接，通过改变电磁线圈4中电流的大小和方向，可以改变电磁线圈4受到的作用力的大小和方向，以适应不同的对接任务需求，如图5所示；为了使得产生更强的电磁力，电磁线圈4缠绕在铁心3上；

第一接口部件1的半球壳12外侧固定连接有两组对称设置的延伸片5，延伸片5上带孔且以球心对称，延伸片5上均安装有锁紧组件，锁紧组件将对接后的第一接口部件1与第二接口部件2进行锁紧和解锁；锁紧组件能够允许链接机构对接后10°以内的角度的调节。

锁紧组件为一对，锁紧组件包括电机6，电机6与延伸片5固定连接且电机6的机轴穿过延伸片5，电机6的机轴上固定套设有锁紧片7，锁紧片7远离电机6的一端为圆弧面，如图6所示，圆弧面与第二接口部件2球头22的球面相贴合，电机6的机轴上还固定套设有防止锁紧片7掉落的防脱环8；在第一接口部件1与第二接口部件2完成对接后，第二接口部件2在第一接口部件1的半球壳12内可以在指定的角度范围内进行任意旋转，锁紧组件的锁紧片7均能够与第二接口部件2球头22的球面贴合，能够对第二接口部件2实现任意角度的锁紧，在本实施例中，允许对接后对接接口角度调整范围为10°以内，如图7所示，第二接口部件2与第一接口部件1轴与轴之间的允许夹角为10°以内，每个锁紧组件中锁紧片7的圆弧面贴合范围为四分之一个圆；

锁紧组件主要实现两个功能，锁紧功能和解锁功能：

(1)锁紧功能：锁紧组件由受指令控制的电机6进行带动锁紧片7旋转控制，通过电机6旋转带动锁紧片7进行旋转，使锁紧片7的圆弧面能够扣紧在第二接口部件2球头22的球面上，使第一接口部件1与第二接口部件2保持固定完成锁紧功能，不能相对运动，本实施例中，锁紧组件从解锁状态的初始状态到扣在第二接口部件2球头22的球面上需要旋转90°，为了能够扣紧在球面上，需要旋转角度略大于90°，可设定为90.5°～91°，如图8所示；

(2)解锁功能：锁紧组件由受指令控制的电机6进行带动锁紧片7旋转控制，通过电机6旋转带动锁紧片7进行旋转，使锁紧片7的圆弧面能够解除和第二接口部件2球头22的球面锁紧状态恢复到初始位置，使第一接口部件1与第二接口部件2解除固定状态完成解锁，能够自由进行相对运动以及分离，本实施例中，为了使得电机6每次解锁和锁紧时旋转的角度大小固定，降低机构运行和控制的复杂度，锁紧组件从位于锁紧状态到解锁状态需要旋转的角度和从解锁状态到锁紧状态旋转的角度大小相同，方向相反，需要旋转角度略大于90°，可设定为90.5°～91°，如图9所示。

Claims (5)

1.一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，其特征在于：包括用于集群模块拼接的对接接口组件、用于产生对接缓冲时所需要电磁力的电磁组件和用于对对接接口组件进行锁紧和解锁的锁紧组件；

所述对接接口组件包括第一接口部件和第二接口部件，所述第一接口部件包括第一空心圆柱管和与第一空心圆柱管固定连接的半球壳，所述第二接口部件包括第二空心圆柱管和与第二空心圆柱管固定连接的球头，第一接口部件与第二接口部件对接后，第一接口部件的半球壳将第二接口部件球头的半球面包裹形成空间运动球面副结构，使第一接口部件与第二接口部件能够相对转动进行角度调节；所述第一接口部件的半球壳外侧固定连接有两组对称设置的延伸片，所述延伸片上均安装有锁紧组件，所述锁紧组件将对接后的第一接口部件与第二接口部件进行锁紧和解锁；

所述第一接口部件的第一空心圆柱管内部和第二接口部件的第二空心圆柱管内部均安装有电磁组件，所述电磁组件由缠绕在铁心上的可通电电磁线圈构成，通过改变流经电磁线圈的电流的大小和方向改变所产生的电磁力的大小和方向。

2.根据权利要求1所述的一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，其特征在于：所述锁紧组件包括电机，所述电机与延伸片固定连接且电机的机轴穿过延伸片，电机的机轴上固定套设有锁紧片，所述电机的机轴上还固定套设有防止锁紧片掉落的防脱环。

3.根据权利要求2所述的一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，其特征在于：所述锁紧片远离电机的一端为圆弧面，所述圆弧面与第二接口部件球头的球面相贴合。

4.根据权利要求1所述的一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，其特征在于：所述角度调节的角度范围为0～10°。

5.根据权利要求1所述的一种用于集群模块拼接的多功能电磁链接机构，其特征在于：所述电磁组件中可通电电磁线圈均与受控电源电连接。

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