CN112046797B - 捕获对接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种捕获对接装置，包括：主动捕获机构，丝杠组件连接于驱动单元的转轴上，伸缩套筒套设于丝杠组件上，并与丝杠组件啮合；管体组件套设于伸缩套筒上，并包覆丝杠组件；球头设置于管体组件远驱动单元的最前端；驱动单元带动丝杠组件转动时，伸缩套筒沿丝杠组件运动，并推动伸缩套筒带动球头进行伸缩；标准化主动接口，安装主动捕获机构；标准化被动接口，与标准化主动接口对接，安装接受腔腔体；腔体与抓捕机构连接，锁紧瓣与抓捕机构通过中心销连接，锁紧瓣沿中心销转动后，通过限位销插设于抓捕机构被固定，连接锁紧瓣与拉簧架之间通过拉簧连接，拉簧架与抓捕机构连接，滑动顶块与压簧盖之间设置有压簧，压簧盖与抓捕机构固定连接。

Description

捕获对接装置

技术领域

本申请实施例涉及空间飞行器在轨服务与维护技术，涉及但不限于一种捕获对接装置。

背景技术

受限于运载约束，大型空间设施需采用分段发射入轨，通过空间机器人在轨构建形成。为了降低在轨构建的复杂度和操作难度、提高在轨构建效率，大型空间设施将采用模块化设计技术，在进行空间设施的在轨构建及维修维护的过程中，在模块间采用标准化连接接口，可实现各功能舱段或模块的自由组合和扩展。标准化连接接口有助于实现新型空间飞行器的模块化设计和多任务应用，降低在轨服务与维护的复杂度和操作难度、提高在轨构建及维修维护的效率。

从基于现有卫星的可维修适应性设计角度来看，模块间标准化连接接口可为现有卫星增加可维修维护接口，在不改变卫星主体机构和平台架构的基础上，在现有卫星平台上增加可维修性接口，以便在轨进行故障模块更换或系统设备升级。从未来模块化设计的可在轨维修卫星角度来看，模块间标准化连接接口能更好满足在轨服务与维护的系统需求，从卫星平台设计和主体结构出发，进行模块化可接受在轨服务的卫星系统设计，一旦在轨发生故障或需要进行卫星系统部分功能或结构的改进和升级，可单独更换相关模块，使卫星任务能力恢复或进行性能提升。因此，设计面向空间飞行器在轨服务与维护的模块间连接接口具有非常重要的工程意义。

模块间标准化连接接口技术是进行新型空间飞行器设计和空间在轨服务与维护方案研究的关键技术之一。并且，由于系统结构、材料、空间环境、碎片破坏等原因，可能导致模块单元出现故障，对故障模块的维修或更换需要一种标准化的模块与舱段间连接接口，实现快速、稳定、可靠地工作。标准化电气连接接口是一种典型的模块间标准化对接接口，可以实现接口间数据与信号的快速、稳定、可靠的传输。

目前，面向在轨服务与维护的现有电气连接接口还存在一些不足之处。有些电气连接接口提供的连接力不足，导致连接不到位，使得电连接器无法正常工作；有些电气连接接口在连接到位后还过力紧固，导致连接卡死甚至部件损坏，不能够保证电气连接接口稳定可靠的工作。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种捕获对接装置。

本申请提供一种捕获对接装置，包括：

主动捕获机构，包括驱动单元、丝杠组件、管体组件、伸缩套筒和球头，丝杠组件连接于驱动单元的转轴上，伸缩套筒套设于丝杠组件上，并与丝杠组件啮合；管体组件套设于伸缩套筒上，并包覆丝杠组件；球头设置于管体组件远驱动单元的最前端；驱动单元带动丝杠组件转动时，伸缩套筒沿丝杠组件运动，并推动伸缩套筒带动球头进行伸缩；

标准化主动接口，用于安装主动捕获机构；

标准化被动接口，与标准化主动接口对接，用于安装接受腔腔体；

接受腔腔体，包括腔体、抓捕机构、锁紧瓣、拉簧、拉簧架、压簧、压簧盖、滑动顶块、限位销和中心销，腔体与抓捕机构连接，锁紧瓣与抓捕机构通过中心销连接，锁紧瓣沿中心销转动后，通过限位销插设于抓捕机构被固定，连接锁紧瓣与拉簧架之间通过拉簧连接，拉簧架与抓捕机构连接，滑动顶块与压簧盖之间设置有压簧，压簧盖与抓捕机构固定连接。

在一些实施例中，所述管体组件包括三节相互套接的管体，每节管体包括管、管套和滑动轴承，管套套设于管上，滑动轴承设置于管套和管之间，管套基于滑动轴承能够沿管滑动。

在一些实施例中，所述丝杠组件由两节丝杠套合而成，第一丝杠通过中心孔内设置的啮齿套设于第二丝杠上。

在一些实施例中，需要锁紧时，驱动单元沿第一方向旋转驱动丝杠组件转动，驱动伸缩套筒沿丝杠组件运动而推动伸缩套筒带动球头滑入腔体并触碰锁紧瓣，在滑动顶块的压簧和拉簧的联合作用下，使得滑动顶块位于锁死点而锁死。

在一些实施例中，所述球头中还设置有的解锁推杆和电磁铁；

需要解锁时，为电磁铁提供电源，球头的解锁推杆在电磁铁的作用下推动滑动顶块，滑动顶块的压簧被压缩，破坏锁死点位置，在拉簧作用下锁紧瓣被拉开；驱动单元沿第二方向旋转驱动丝杠组件转动，驱动伸缩套筒沿丝杠组件运动而推动伸缩套筒拖动球头远离腔体，完成解锁；其中，第一方向和第二方向相反。

在一些实施例中，所述腔体为锥角渐变型的圆锥结构，腔体从捕获处至腔体边缘的锥角的角度逐渐变大。

在一些实施例中，所述球头与腔体接触碰撞后的速度V_X、V_Y和角速度ω，V_X随着腔体锥角θ的增大而逐渐减小；腔体锥角θ为30°至58°的范围时，速度V_Y和角速度ω都随着接受腔体锥角θ的增大而逐渐增大；腔体锥角θ为58°至65°的范围时，速度V_Y和角速度ω均随着腔体锥角θ的增大而逐渐减小；拟合曲线的方程式为：

球头球心的运动轨迹方程为：

接触碰撞后球头球心的运动轨迹方程Y＝F(X,θ)；

在同一接触点处选取30°至60°不同的锥角数值代入方程求解得出球头球心在接触后的运动轨迹；

若取样的间距为Δy＝1mm，起始点的纵坐标为y_a＝20mm，采样接触点的拟合曲线方程为：y＝3.7×10^-5x³+0.02x²+3.8x-290。

技术效果：

使用本发明提出的方法设计的碰锥角渐变型捕获接受腔，无驱动源，结构简单，可靠性高，有助于实现新型空间飞行器的模块化设计和多任务应用，降低在轨服务与维护的复杂度和操作难度、提高在轨构建及维修维护的效率。以单次接触碰撞后就成功捕获为约束条件，确定了碰撞接触点处合适的锥角大小，选取多样本接触点并拟合得到碰锥角渐变型捕获接受腔，单次碰撞后就能成功捕获，减小碰撞带来的接触力，解决了多次碰撞带来的接触力大问题，提高捕获的成功几率。相较于圆锥构型的捕获接受腔设计，在不增大外形尺寸的基础上容差性能更好。

附图说明

图1为本申请实施例提供的捕获对接装置的结构示意图；

图2为本申请实施例的主动捕获机构的结构示意图；

图3为本申请实施例的碰锥角渐变型捕获接受腔的结构示意图；

图4为本申请实施例的接触碰撞后球头运动情况示意图；

图5为本申请实施例的接触碰撞后球头运动情况对比示意图；

图6为本申请实施例的接触后球头运动学分析示意图；

图7为本申请实施例的中心杆球头的球心运动轨迹示意图；

图8为本申请实施例的样本接触点选取方式示意图；

图9为本申请实施例的容差范围对比分析示意图；

图10为本申请实施例的球头与腔体碰撞后速度V_X、V_Y和角速度ω与腔体锥角θ之间的变化关系曲线示意图；

图11为本申请实施例的不同锥角的球头运动轨迹与捕获区域位置关系示意图。

具体实施方式

本发明涉及面向在轨服务与维护的碰锥角渐变型捕获接受腔设计方法，使用本发明提出的方法设计的碰锥角渐变型捕获接受腔可以用在标准化捕获对接场景中。图1为本申请实施例提供的捕获对接装置的结构示意图，如图1所示，图1为本申请实施例提供的捕获对接装置包括主动捕获机构1、标准化主动接口安装座2、标准化被动接口安装座3、碰锥角渐变型捕获接受腔4。碰锥角渐变型捕获接受腔4安装在标准化被动接口安装座3上，主动捕获机构1安装在标准化主动接口安装座2上，由主动捕获机构1对碰锥角渐变型捕获接受腔4进行捕获对接动作。碰锥角渐变型捕获接受腔4能够实现可靠的捕获对接依赖于主动捕获机构1的配合。

图2为本申请实施例的主动捕获机构的结构示意图，如图2所示，主动捕获机构1由驱动单元5、丝杠组件6、管体组件7、三级伸缩套筒8、球头9组成。管体组件7包括三节相互套接的管体，每节管体包括管、管套和滑动轴承，管套套设于管上，滑动轴承设置于管套和管之间，管套基于滑动轴承能够沿管滑动。丝杠组件6由两节丝杠套合而成，第一丝杠通过中心孔内设置的啮齿套设于第二丝杠上。驱动单元5由无刷电机、双联摆线齿轮组等组成。三级伸缩套筒8传动采用两节套叠丝杠，基于力矩的变化关系实现丝杠的顺序动作，球头9与管体组件7最前端固定连接，管体带动球头9进行伸缩。

图3为本申请实施例的碰锥角渐变型捕获接受腔的结构示意图，如图3所示，碰锥角渐变型捕获接受腔4由接受腔体10、抓捕机构11、锁紧瓣12、拉簧13、拉簧架14、压簧15、压簧盖16、滑动顶块17、限位销18、中心销19组成。接受腔体10与抓捕机构11固定连接，锁紧瓣12与抓捕机构11通过中心销19固定连接，在限位销18的作用下可实现一定角度的转动，拉簧13连接锁紧瓣12与拉簧架14，拉簧架14与抓捕机构11固定连接，压簧15作用于滑动顶块17与压簧盖16之间，压簧盖16与抓捕机构11固定连接。抓捕机构11中的3个锁紧瓣12呈120°分布在同一圆周上，相对位置分布有3个拉簧13。

本发明中，需要锁紧时，驱动单元5带动丝杠组件6正转使得球头9滑入接受腔体10并触碰3个锁紧瓣12，在滑动顶块16的压簧15和拉簧13的联合作用下使得滑动顶块17位于锁死点。

本发明中，球头中还设置有的解锁推杆和电磁铁。需要解锁时，球头9中的解锁推杆在电磁铁的作用下推动滑动顶块17，滑动顶块17的压簧15被进一步压缩，破坏死点位置，在拉簧13作用下锁紧瓣12被拉开，同时驱动单元5带动丝杠组件6反转，拖动球头9远离接受腔体10，解锁完成。

碰锥角渐变型捕获接受腔4的关键在于接受腔体10的设计。普通的接受腔体的构型大多是锥角不变的圆锥构型，若将主动捕获机构简化为中心杆和球头，对于圆锥构型的接受腔体，中心杆球头与接受腔体发生接触碰撞后的运动轨迹有3种情况，如图4所示：a中心杆球头与接受腔体单次接触碰撞后直接进入捕获区域，捕获成功；b中心杆球头与接受腔体接触碰撞多次后进入捕获区域，捕获成功；c中心杆球头与接受腔体接触碰撞多次后未进入捕获区域，捕获失败。其中，情况a是较为理想的一种运动情况，由于圆锥构型的接受腔体锥角是保持不变的，随着中心杆球头与接受腔体接触碰撞区域的不同，相应的接触碰撞后的中心杆球头的运动轨迹也是不同的，即圆锥构型的接受腔体不能够完全让中心杆球头处于情况a的理想状态下。

为了使中心杆球头与接受腔体的任意位置接触碰撞后都能够处于的运动情况a的理想状态，考虑设计一种碰锥角渐变型的捕获接受腔体。图5为本申请实施例的接触碰撞后球头运动情况对比示意图，如图5所示，实线箭头为圆锥构型的接受腔体的球头运动轨迹，不是理想的状态；虚线箭头为碰锥角渐变型的接受腔体的球头运动轨迹，是理想的状态。

下面给出这种碰锥角渐变型捕获接受腔的具体设计方法。在同一个接触点处由于接受腔体锥角大小的不同，中心杆球头在接触碰撞后的运动轨迹也是不相同的。因此，这种碰锥角渐变型捕获接受腔的设计主要是优选出不同接触点处合适的锥角大小，使得中心杆球头单次接触碰撞后都可以直接进入捕获区域，捕获成功。

图6为本申请实施例的接触后球头运动学分析示意图，如图6所示，在捕获过程中，中心杆与接受腔体发生接触碰撞时会产生沿着中心杆方向的轴向力以及垂直于中心杆方向的径向力，轴向力驱使中心杆进入接受腔体，径向力在接触碰撞点处产生一个转矩，使得中心杆发生转动。V_X、V_Y和ω分别为中心杆球头与接受腔体初次接触碰撞后的速度与角速度。中心杆球头与接受腔体接触碰撞后的运动轨迹为图中虚线所示，可以将中心杆球头的运动分解为平动与转动的叠加。图7为本申请实施例的中心杆球头的球心运动轨迹示意图，如图7所示，假设惯性坐标系与发生接触碰撞瞬时的质心坐标系OXYZ重合，若中心杆球头与接受腔体接触在t＝0时刻，设中心杆球头的球心到质心O的距离为d，中心杆的伸出速度为V；在t＝Δt时刻，原点O移动到了局部坐标系原点O′，中心杆球头球心从点A移动到了点A′。为了研究中心杆球头接触碰撞后球心的运动轨迹方程，首先求得中心杆球头球心的坐标为：

式中，d和V均是常数，中心杆球头转过的角度为α＝ω·Δt；中心杆球头球心在惯性坐标系下的速度V_X、V_Y和角速度ω都是接受腔体锥角θ的函数。

不同的接受腔体锥角大小得到的接触碰撞后速度和角速度大小也是不一样的，可以通过数值仿真方法研究它们与接受腔体锥角之间的函数关系，拟合出关系曲线方程。将关系曲线方程带入求出中心杆球头接触碰撞后球心的运动轨迹方程表达式，进一步得到与初设的捕获区域的位置关系。通过对以上数值方法的测试，可以找到任一接触点处的合适的锥角大小，使得中心杆球头单次接触碰撞后可以直接进入捕获区域，捕获成功。

图8为本申请实施例的样本接触点选取方式示意图，如图8所示，假设接受腔体的接触点从a点开始，之后在Y轴上选取多个样本接触点使得接受腔体不断向外延伸，最后对这些样本接触点进行拟合便得到这种碰锥角渐变型接受腔体。若设a点的纵坐标为y_a，取样的间距为Δy，通过以上方法优选出a点处能够使中心杆球头单次接触碰撞后直接进入捕获区域的相对合适的锥角大小θ_a；接着以a点处的合适锥角θ_a为斜率的切线与直线Y＝y_a+Δy的交点作为下一个样本接触点b，依然使用上一节的方法优选出b点处合适的锥角大小θ_b；最后，通过同样的方法可以得到大量的样本接触点，若将这些样本接触点进行拟合便得到这碰锥角渐变型接受腔体。

图9为本申请实施例的容差范围对比分析示意图，如图9所示，碰锥角渐变型接受腔为图中弧线AB，弧线AC为中心杆球头经过接触点A后的运动轨迹。若接触点A的切线为d1，过点B作切线为d1的平行线为d2，即在点B处与点A处拥有相同的锥角。以中心杆球头与接受腔单次接触碰撞后直接进入捕获区域，捕获成功为约束条件的话，直线BC即为满足此条件的圆锥构型接受腔体。从图中可以直观的看出，线段AD即为碰锥角渐变型接受腔体要比圆锥构型接受腔体多出来的容差范围，由此可见，碰锥角渐变型接受腔也提高了机构的容差能力。

对30°至65°的接受腔体锥角范围进行数值仿真研究，接触碰撞后的速度V_X、V_Y和角速度ω随着接受腔体锥角θ的变化情况如表1所示，表1为数值仿真结果数据表。

表1数值仿真结果数据表

通过表中的数据可以拟合出速度V_X、V_Y和角速度ω与接受腔体锥角θ之间的变化关系曲线，如图10所示，图中，速度V_X随着接受腔体锥角θ的增大而逐渐减小；在接受腔体锥角θ为30°至58°的范围内，速度V_Y和角速度ω都随着接受腔体锥角θ的增大而逐渐增大；在接受腔体锥角θ为58°至65°的范围内，速度V_Y和角速度ω都随着接受腔体锥角θ的增大而逐渐减小。以上三条拟合曲线的方程式为：

得到中心杆球头球心的运动轨迹方程为：

经过换算，得到接触碰撞后中心杆球头球心的运动轨迹方程Y＝F(X,θ)，下面采用数值方法对方程式进行求解。

图11为本申请实施例的不同锥角的球头运动轨迹与捕获区域位置关系示意图，如图11所示，为了得到接触点处合适的锥角大小，在同一接触点处选取30°至60°不同的锥角数值代入方程求解可以得出中心杆球头球心在接触后的运动轨迹。图中可以明显的看出，选取锥角大小为30°的运动轨迹偏移在捕获区域的下方，并没有直接进入捕获区域，此时应该调整选取大的锥角，使得中心杆球头球心的运动轨迹往捕获区域偏转；选取锥角大小为60°的运动轨迹也没有直接进入捕获区域，此时应该调整选取小的锥角，使得中心杆球头球心的运动轨迹往捕获区域偏转；选取锥角大小为45°的运动轨迹可以直接进入捕获区域，是此接触点处相对合适的锥角大小。

若取样的间距为Δy＝1mm，起始点的纵坐标为y_a＝20mm，采样接触点的拟合曲线方程为：y＝3.7×10^-5x³+0.02x²+3.8x-290。经计算分析发现，中心杆球头与接受腔体单次接触碰撞后能直接进入捕获区域，捕获成功。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种捕获对接装置，其特征在于，所述装置包括：

主动捕获机构，包括驱动单元、丝杠组件、管体组件、伸缩套筒和球头，丝杠组件连接于驱动单元的转轴上，伸缩套筒套设于丝杠组件上，并与丝杠组件啮合；管体组件套设于伸缩套筒上，并包覆丝杠组件；球头设置于管体组件远驱动单元的最前端；驱动单元带动丝杠组件转动时，伸缩套筒沿丝杠组件运动，并推动伸缩套筒带动球头进行伸缩；

标准化主动接口，用于安装主动捕获机构；

标准化被动接口，与标准化主动接口对接，用于安装接受腔腔体；

接受腔腔体，包括腔体、抓捕机构、锁紧瓣、拉簧、拉簧架、压簧、压簧盖、滑动顶块、限位销和中心销，腔体与抓捕机构连接，锁紧瓣与抓捕机构通过中心销连接，锁紧瓣沿中心销转动后，通过限位销插设于抓捕机构被固定，连接锁紧瓣与拉簧架之间通过拉簧连接，拉簧架与抓捕机构连接，滑动顶块与压簧盖之间设置有压簧，压簧盖与抓捕机构固定连接；所述腔体为锥角渐变型的圆锥结构，腔体从捕获处至腔体边缘的锥角的角度逐渐变大；其中，所述球头与腔体接触碰撞后的速度V_X、V_Y和角速度ω，V_X随着腔体锥角θ的增大而逐渐减小；腔体锥角θ为30°至58°的范围时，速度V_Y和角速度ω都随着接受腔体锥角θ的增大而逐渐增大；腔体锥角θ为58°至65°的范围时，速度V_Y和角速度ω均随着腔体锥角θ的增大而逐渐减小；拟合曲线的方程式为：

球头球心的运动轨迹方程为：

接触碰撞后球头球心的运动轨迹方程Y＝F(X,θ)；

在同一接触点处选取30°至60°不同的锥角数值代入方程求解得出球头球心在接触后的运动轨迹；

若取样的间距为△y＝1mm，起始点的纵坐标为y_a＝20mm，采样接触点的拟合曲线方程为：y＝3.7×10^-5x³+0.02x²+3.8x-290。

2.根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述管体组件包括三节相互套接的管体，每节管体包括管、管套和滑动轴承，管套套设于管上，滑动轴承设置于管套和管之间，管套基于滑动轴承能够沿管滑动。

3.根据权利要求l或2所述的装置，其特征在于，所述丝杠组件由两节丝杠套合而成，第一丝杠通过中心孔内设置的啮齿套设于第二丝杠上。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，需要锁紧时，驱动单元沿第一方向旋转驱动丝杠组件转动，驱动伸缩套筒沿丝杠组件运动而推动伸缩套筒带动球头滑入腔体并触碰锁紧瓣，在滑动顶块的压簧和拉簧的联合作用下，使得滑动顶块位于锁死点而锁死。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述球头中还设置有的解锁推杆和电磁铁；

需要解锁时，为电磁铁提供电源，球头的解锁推杆在电磁铁的作用下推动滑动顶块，滑动顶块的压簧被压缩，破坏锁死点位置，在拉簧作用下锁紧瓣被拉开；驱动单元沿第二方向旋转驱动丝杠组件转动，驱动伸缩套筒沿丝杠组件运动而推动伸缩套筒拖动球头远离腔体，完成解锁；其中，第一方向和第二方向相反。

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