CN114260934A - 一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构，属于空间站构建技术领域。该机构由被动端和主动端组成；被动端对接杆侧面为四次曲线旋转曲面，杆头为球形，具有导向功能，同时通过均匀接触的形式避免应力尖峰与表面划痕，使解锁后的分离过程更为平滑；对接杆的锥形孔与主动端闩销配合后可提供轴向预紧载荷，具有防干扰、防逃逸特点。本发明中提供的摩擦限位解锁组件、机械限位解锁组件均有解锁与解锁限位功能，同时将解锁过程与分离过程解耦，且在分离后仍可重复连接，为舱外载荷的维护与拆卸更换提供了一种操作简单、安全可靠、重复使用、适应性强、平滑分离的机构，有助于实现舱外载荷在轨维护与组装，为该领域提供了技术支撑。

Description

一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构

技术领域

本发明涉及空间站构建技术领域，特别是指一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构。

背景技术

舱外载荷的探测范围与分辨率等性能指标不断提高，使其整体结构尺寸不断增大，常超出运载包络限制，一般通过连接装置将舱外有效载荷与航天器连接，开展舱外载荷的组装。该装置应具备可重复连接功能，以应对舱外载荷失效与更换任务下的解锁释放、重复连接需求，还应具备解锁限位功能，适用于操作力作用位置的移动；同时，随着空间机械臂技术的发展，通过机械臂辅助操作实现舱外载荷的在轨组装，已逐渐广泛应用，迫切需要一种用于空间机械臂操作的连接机构；

目前国内涉及舱外载荷与航天器的连接机构的相关技术如下：一种用于航天器的暴露载荷支持系统，通过中空壳体上的导向结构与辅助锁紧装置，实现锁紧与解锁功能，但其并无解锁限位功能，且其占用体积大，采用人工操作，操作过程较为复杂，因此该机构无法满足舱外有效载荷与航天器连接技术要求；此外，还有一种基于双虎克铰机构的机械臂柔顺对接装置，通过虎克铰机构实现主、被动端连接功能，通过缓冲弹簧与复位弹簧实现复位缓冲功能，但该装置在进行柔性对接与分离过程中，需要较高的机械臂控制系统精度，且主、被动端为柔性连接形式，所以该机构也无法满足舱外有效载荷与航天器连接的刚性要求。

综上，设计一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构是实现舱外载荷维护更换任务的解锁、解锁限位、分离导向、重复连接过程所不可或缺的一项技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构。

该机构包括被动端和主动端，所述被动端与航天器外壁接口固连，所述主动端与舱外载荷固连；主动端包括摩擦限位主动端和机械限位主动端双组件；

所述被动端包括深度指示器、对接杆、球形对接头和对接底座，对接杆上开有锥形孔，提供自动锁紧功能；

所述主动端包括导向座、柔性缓冲组件、机械臂转接座、主动端下壳体、闩销组件、限位解锁组件和操作杆组件，

被动端与导向座相配合，实现主动端和被动端的刚性连接；导向座在主动端、被动端解锁后提供分离导向功能；柔性缓冲组件以弹簧预紧力的形式为分离过程提供推力；机械臂转接座连接导向座与舱外载荷；机械臂转接座上设置机械臂适配接口，用于主动端与机械臂连接；主动端下部设置主动端下壳体，闩销组件上部连接导向座，下部连接限位解锁组件，限位解锁组件下部连接操作杆组件，实现解锁、解锁限位功能；

闩销组件提升主动端、被动端的连接刚度；闩销组件包括闩销、闩销壳、闩销弹簧垫片、闩销弹簧和中心杆，闩销底部连接中心杆，

闩销壳包括闩销壳上、中、下三个分部，

闩销壳上部包含闩销导向孔、闩销弹簧安装座、中心杆导向孔，闩销导向孔与闩销形成间隙配合滑动副，为闩销提供导向功能，中心杆导向孔与中心杆形成间隙配合滑动副，为中心杆提供导向功能，闩销弹簧安装座上设有闩销弹簧垫片，闩销弹簧通过闩销弹簧垫片与闩销弹簧安装座形成固接；

闩销壳中部包含限位滑块导向筒、中心滑块导向装置，限位滑块导向筒通过内孔与限位滑块形成间隙配合，内孔设有防滑涂层，限位滑块导向筒赋予限位滑块导向功能，中心滑块导向装置与中心滑块形成滑动副，具有滑块导向功能；

闩销壳下部包含连杆转动筒安装座、机械臂操作筒安装座，连杆转动筒安装座通过转动副连接连杆转动筒，机械臂操作筒安装座通过转动副连接机械臂操作筒；

限位解锁组件包括摩擦限位解锁组件和机械限位解锁组件，操作杆组件包括摩擦限位解锁操作杆组件和机械限位解锁操作杆组件。

所述对接杆分为大直径段、锥形导向段、小直径段，

其中小直径段内设有四棱台通孔，孔壁为斜面，倾角θ小于摩擦自锁角，通孔与闩销斜面对应，使闩销为对接杆提供轴向预紧载荷；

锥形导向段的侧面为旋转曲面，其旋转曲线方程为四次多项式：

其中，R为对接杆锥形导向段大端半径，r为对接杆锥形导向段小端半径，d为锥形导向段轴向距离，对接杆锥形导向段的侧面由四次多项式绕中心轴线旋转得到；该锥形导向段避免截面面积突变，可以有效防止对接杆的应力集中现象。同时，曲面柱段与导向座内部曲面孔配合，在分离过程中具备分离导向功能。而且其侧面为旋转曲面，以此保证重复连接的平滑性，减少重复连接过程中对接杆与导向座之间的摩擦阻力与划痕磨损。

所述被动端的末端设有球形对接头，球形对接头镶嵌在对接杆末端，球形对接头与对接杆的末端球形凹槽为间隙配合；在重复连接过程中，所述球形对接头与主动端导向座曲面内侧接触。

所述摩擦限位解锁组件包括转接杆、限位筒、限位弹簧、限位滑块和限位扭簧，

转接杆为圆柱形，在闩销壳中直线运动，转接杆上端与中心杆底面固连，转接杆中部与限位筒的一端转动副连接，转接杆下端与摩擦限位解锁操作杆组件中连杆组件的导向滑块固连。

所述限位筒有偶数个，呈中心对称分布，限位筒的一端与转接杆中部转轴连接，另一端与限位滑块转轴连接，限位筒分为圆柱形半封闭的内筒与外筒，内筒与外筒为滑动配合，内筒底面与外筒底面间通过限位弹簧相连，即限位筒两端的传力路径上串联有限位弹簧。

所述限位滑块有偶数个，数量与限位筒一致，限位滑块与限位筒转动副连接，限位滑块与闩销壳中部限位滑块导向筒内孔大间隙配合形成滑动副，当重复连接锁紧时在限位扭簧作用下限位滑块与滑块导向筒内孔近层贴紧，当解锁限位时受到限位筒的径向力，通过与滑块导向筒内孔远层贴紧摩擦限位。

所述限位扭簧与对称布置的一对限位筒侧壁连接，当重复连接锁紧时，限位扭簧收拢有助于减小摩擦阻力，当解锁限位时克服限位扭簧收拢力，直至通过死点，具备解锁状态自限位能力。

所述摩擦限位解锁操作杆组件包含连杆组件、机械臂操作筒；

所述连杆组件为倍角机构，使连杆的输出角度放大，同时减小机械臂操作筒所需作用力；

连杆组件包括导向滑块、上连杆、连杆转动筒和下连杆，导向滑块与摩擦限位解锁组件的转接杆固连，同时与上连杆通过转动副连接；连杆转动筒的一端与上连杆的转轴连接，另一端与闩销壳上的转轴连接；连杆转动筒中部为开口槽，下连杆的一端为滚轮，滚轮在连杆转动筒的开口槽中直线滑动，通过滚轮实现上连杆与下连杆转角的比例变化；下连杆另一端绕闩销壳的下转轴转动，同时与机械臂操作筒固连，机械臂操作筒上开设操作筒机械臂适配接口。

所述机械限位解锁组件包括机械限位筒、限位块和限位盘，限位块为立方体结构，与闩销壳底部的齿状开口大间隙配合，固连在限位盘上，机械限位筒套设在限位块上。

所述限位盘一端为圆柱盘，与限位块、闩销底部固连，另一端为立方体状，与机械臂操作筒一端固连；机械臂转动机械臂操作筒，使机械限位解锁组件旋转至限位块进入闩销壳底部的开口凹槽中时，实现限位和保持解锁状态。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，可实现舱外载荷与航天器的解锁、解锁限位、分离导向、重复连接功能；解锁后具备解锁状态自限位能力，重复连接时具有防逃逸、自动锁紧功能；适合舱外单机械臂独立操作，也可适用于舱外多机械臂协同操作；为实现舱外载荷与航天器在轨维护和组装所需的技术提供支撑。

附图说明

图1为本发明机构被动端轮廓示意图及被动端内部结构示意图，其中，(a)为轮廓示意图，(b)为内部结构示意图；

图2为本发明机构被动端对接杆旋转曲面柱段的参数示意图；

图3为本发明机构主动端A组成示意图；

图4为本发明机构主动端A闩销组件组成示意图；

图5为本发明机构主动端A摩擦限位解锁组件组成示意图；

图6为本发明机构主动端A摩擦限位解锁操作杆组件组成示意图；

图7为本发明机构机械臂操作筒组成示意图；

图8为本发明机构主动端A、被动端已连接示意图；

图9为本发明机构主动端A、被动端解锁限位示意图；

图10为本发明机构主动端A、被动端分离示意图；

图11为本发明机构主动端B组成示意图；

图12为本发明机构主动端B机械限位解锁组件组成示意图；

图13为本发明机构主动端B、被动端已连接示意图；

图14为本发明机构主动端B、被动端解锁限位示意图；

图15为本发明机构主动端B、被动端分离示意图。

其中：

100-被动端；101-深度指示器；102-对接杆；1021-锥形孔；103-球形对接头；

200A-摩擦限位主动端；

200B-机械限位主动端；

201-导向座；202-柔性缓冲组件；203-机械臂转接座；2031-机械臂适配接口；204-主动端下壳体；

205-闩销组件；2051-闩销；2052-闩销壳；2053-闩销弹簧垫片；2054-闩销弹簧；2055-中心杆；

206-限位解锁组件；206A-摩擦限位解锁组件；2061-转接杆；2062-限位筒；2063-限位弹簧；2064-限位滑块；2065-限位扭簧；206B-机械限位解锁组件；2066-机械限位筒；20661-机械限位筒凹槽；2067-限位块；2068-限位盘；

207-操作杆组件；207A-摩擦限位解锁操作杆组件；2071-连杆组件；20711-导向滑块；20712-上连杆；20713-连杆转动筒；20714-下连杆；2072-机械臂操作筒；20721-操作筒机械臂适配接口；

207B-机械限位解锁操作杆组件。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构。

该机构包括被动端100和主动端，所述被动端100与航天器外壁接口固连，所述主动端与舱外载荷固连；主动端包括摩擦限位主动端200A和机械限位主动端200B双组件；机械臂转接座以及机械臂操作杆末端均设有机械臂连接接口，便于机械臂操作；

如图1所示，所述被动端100包括深度指示器101、对接杆102、球形对接头103和对接底座，对接杆102上开有锥形孔1021，提供自动锁紧功能；被动端底座一端为法兰面，与航天器外壁安装接口固定连接；被动端底座另一端为对接端面，外凸有对接杆102，与主动端导向座内孔相对应；

深度指示器101装配于被动端底座侧壁，可以指示对接杆102当前插入深度。

如图3、图11所示，所述主动端包括导向座201、柔性缓冲组件202、机械臂转接座203、主动端下壳体204、闩销组件205、限位解锁组件206和操作杆组件207，

导向座201一端外部为对接面，与被动端200固定底座的对接面相对应，实现主动端和被动端100的刚性连接；该端内部有大圆柱孔、曲面孔、小圆柱孔，同固定底座的对接杆大直径段、锥形导向段、小直径段间隙配合，其中大直径段为小间隙精配合提高重复连接精度，小直径段为大间隙粗配合增大对接容差，锥形导向段具有分离、重复连接导向作用；

导向座201在主动端、被动端100解锁后提供分离导向功能；柔性缓冲组件202以弹簧预紧力的形式为分离过程提供推力；机械臂转接座203连接导向座201与舱外载荷；机械臂转接座203上设置机械臂适配接口2031，用于主动端与机械臂连接；主动端下部设置主动端下壳体204，闩销组件205上部连接导向座201，下部连接限位解锁组件206，限位解锁组件206下部连接操作杆组件207，实现解锁、解锁限位功能；

由于柔性缓冲组件202作用，在重复连接的过程中，对接杆可以缓慢推入，被动端与主动端通孔同轴后，闩销组件的闩销在弹簧预紧力作用下向上推入，完成自动锁紧。

柔性缓冲组件202的缓冲弹簧一端与缓冲筒的闭合端相连，另一端与对接底座小圆柱盲孔底面相连，通过缓冲筒内壁导向，以提供重复连接的缓冲功能；

如图4所示，闩销组件205包括闩销2051、闩销壳2052、闩销弹簧垫片2053、闩销弹簧2054和中心杆2055，闩销2051底部连接中心杆2055，闩销2051和中心杆2055外部均设置闩销壳2052，闩销2051下部侧面设置闩销弹簧垫片2053，闩销弹簧垫片2053连接闩销弹簧2054，闩销组件205可提供自动锁紧、轴向与周向定位功能，提升主动端、被动端的连接刚度；

具体的，闩销壳包括闩销壳上、中、下三个分部，

闩销壳上部包含闩销导向孔、闩销弹簧安装座、中心杆导向孔，闩销导向孔与闩销形成间隙配合滑动副，为闩销提供导向功能，中心杆导向孔与中心杆形成间隙配合滑动副，为中心杆提供导向功能，闩销弹簧安装座上设有闩销弹簧垫片，闩销弹簧通过闩销弹簧垫片与闩销弹簧安装座形成固接；

闩销壳中部包含限位滑块导向筒、中心滑块导向装置，限位滑块导向筒通过内孔与限位滑块形成间隙配合，内孔设有防滑涂层，限位滑块导向筒赋予限位滑块导向功能，中心滑块导向装置与中心滑块形成滑动副，具有滑块导向功能；

闩销壳下部包含连杆转动筒安装座、机械臂操作筒安装座，连杆转动筒安装座通过转动副连接连杆转动筒，机械臂操作筒安装座通过转动副连接机械臂操作筒；

闩销2051上部为矩形截面，与对接底座底部的矩形盲孔、闩销壳上部的矩形孔构成滑动副；闩销中部留有挡板，与闩销弹簧相连，受其作用力；闩销下部为小截面矩形柱，即中心杆2055，与闩销壳内壁构成滑动副配合；闩销底面有螺纹孔，用于安装摩擦限位解锁组件；闩销壳顶端为法兰面，尺寸大于对接底座底部的矩形盲孔，与对接底座底部固连；闩销壳上部为矩形截面孔，与闩销形成滑动配合。

摩擦限位主动端200A的闩销壳中部为变直径台阶孔，闩销弹簧垫片安装于台阶上，闩销弹簧一端与闩销弹簧垫片相连，另一端与闩销挡板相连；闩销壳下部有矩形内外多层嵌套孔，各孔均同轴，最内层孔与连杆机构的导向滑块间隙配合滑动，中间孔壁开有长条槽，用于摩擦限位组件限位筒运动，最外孔与摩擦限位组件限位滑块配合滑动；闩销壳底部为空心孔，提供连杆机构运动空间，并与连杆机构通过上、下转轴间隙配合；

机械限位主动端200B的闩销壳中部为变直径台阶孔，闩销弹簧垫片安装于台阶上，闩销弹簧一端与闩销弹簧垫片相连，另一端与闩销挡板相连；机械解锁限位主动端的闩销壳底部为空心孔，空心孔与中心杆形成间隙配合，为闩销提供直线导向作用；主动端下壳体的末端设有豁口，配合机械限位组件与机械限位解锁操作杆组件，实现机械限位解锁功能；

限位解锁组件206包括摩擦限位解锁组件206A和机械限位解锁组件206B，操作杆组件207包括摩擦限位解锁操作杆组件207A和机械限位解锁操作杆组件207B。

对接杆102分为大直径段、锥形导向段、小直径段，

其中小直径段内设有四棱台通孔1021，孔壁为斜面，倾角θ小于摩擦自锁角，通孔1021与闩销2051斜面对应，使闩销2051为对接杆103提供轴向预紧载荷；

如图2所示，锥形导向段的侧面为旋转曲面，其旋转曲线方程为四次多项式：

其中，R为对接杆锥形导向段大端半径，r为对接杆锥形导向段小端半径，d为锥形导向段轴向距离，对接杆锥形导向段的侧面由四次多项式绕中心轴线旋转得到；以此增大被动端100与主动端的连接面积，同时通过均匀接触形式有效避免应力尖峰，且有助于主、被动端分离过程平滑导向，减小划痕磨损；

所述被动端100的末端设有球形对接头103，球形对接头103镶嵌在对接杆102末端，球形对接头103与对接杆102的末端球形凹槽为间隙配合；在重复连接过程中，所述球形对接头103与主动端导向座201曲面内侧接触，能够减小对接摩擦力、冲击力和对接阻力，同时得到更为平滑的分离、重复连接过程。

如图5所示，摩擦限位解锁组件206A包括转接杆2061、限位筒2062、限位弹簧2063、限位滑块2064和限位扭簧2065，

转接杆2061为圆柱形，在闩销壳2052中直线运动，转接杆2061上端与中心杆2055底面固连，转接杆2061中部与限位筒2062的一端转动副连接，转接杆2061下端与摩擦限位解锁操作杆组件207A中连杆组件2071的导向滑块20711固连。

限位筒2062有偶数个，呈中心对称分布，限位筒2062的一端与转接杆2061中部转轴连接，另一端与限位滑块2064转轴连接，限位筒2062分为圆柱形半封闭的内筒与外筒，内筒与外筒为滑动配合，内筒底面与外筒底面间通过限位弹簧2063相连，即限位筒2062两端的传力路径上串联有限位弹簧2063。

限位滑块2064有偶数个，数量与限位筒2062一致，限位滑块2064与限位筒2062转动副连接，限位滑块2064与闩销壳2052中部限位滑块导向筒内孔大间隙配合形成滑动副，当重复连接锁紧时在限位扭簧2065作用下与滑块导向筒内孔近层贴紧，当解锁限位时受到限位筒2062的径向力，通过与滑块导向筒内孔远层贴紧摩擦限位。

限位扭簧2065与对称布置的一对限位筒2062侧壁连接，当重复连接锁紧时，限位扭簧2065收拢有助于减小摩擦阻力，当解锁限位时克服限位扭簧2065收拢力，直至通过死点，具备解锁状态自限位能力。

如图6所示，摩擦限位解锁操作杆组件207A包含连杆组件2071、机械臂操作筒2072；

采用连杆机构，通过比例杠杆设计，形成倍角机构，在解锁限位与解锁限位解除时，减少机械臂操作筒处所需作用力与位移；

所述连杆组件2071为倍角机构，使连杆的输出角度放大，同时减小机械臂操作筒2072所需作用力；

连杆组件2071包括导向滑块20711、上连杆20712、连杆转动筒20713和下连杆20714，导向滑块20711与摩擦限位解锁组件206A的转接杆2061固连，同时与上连杆20712通过转动副连接；连杆转动筒20713的一端与上连杆20712的转轴连接，另一端与闩销壳2052上的转轴连接；连杆转动筒20713中部为开口槽，下连杆20714的一端为滚轮，滚轮在连杆转动筒20713的开口槽中直线滑动，通过滚轮实现上连杆20712与下连杆20714转角的比例变化；下连杆20714另一端绕闩销壳2052的下转轴转动，同时与机械臂操作筒2072固连，通过机械臂给予机械臂操作筒作用力就可以实现解锁状态自限位；机械臂操作筒2072上开设操作筒机械臂适配接口20721，如图7所示。

如图12所示，机械限位解锁组件206B包括机械限位筒2066、限位块2067和限位盘2068，限位块2067为立方体结构，与闩销壳2052底部的齿状开口大间隙配合，固连在限位盘2068上，机械限位筒2066套设在限位块2067上，机械限位筒2066端部开有机械限位筒凹槽20661。

限位盘2068一端为圆柱盘，与限位块2067、闩销2051底部固连，另一端为立方体状，与机械臂操作筒2072一端固连；机械臂转动机械臂操作筒2072，使机械限位解锁组件206B旋转至限位块2067进入闩销壳2052底部的开口凹槽中时，实现限位和保持解锁状态。

下面结合具体实施例予以说明，具体的，采用两种实施例说明主动端与被动端的解锁、解锁限位、分离导向、重复连接过程。所述实施例1中主动端采用摩擦限位解锁组件完成解锁限位，所述实施例2中主动端采用机械限位解锁组件完成解锁限位。

实施例1

一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构的被动端100和摩擦限位主动端200A解锁与解锁限位过程；

参见图8，一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构已处于连接锁紧状态，为了拆卸已失效舱外载荷，需进行解锁与解锁限位操作。参见图9，机械臂通过操作筒机械臂适配接口20721连接机械臂操作筒2072，施加作用力，绕闩销壳2052下转轴逆时针旋转机械臂操作筒2072，起初主要受到闩销弹簧2054的阻力，随后由于摩擦限位解锁组件206A中的限位滑块2064所受摩擦力增大，直至摩擦限位解锁组件206A通过死点，闩销弹簧2054作用力与限位滑块2064摩擦力平衡，表明摩擦限位主动端200A、被动端100进入解锁限位状态；

一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构的被动端100和摩擦限位主动端200A分离导向过程；

参见图10，摩擦限位主动端200A、被动端100进入解锁限位状态，闩销2051已下移并处于落锁状态并锁紧；机械臂断开与机械臂操作筒2027的连接，摩擦限位主动端200A在柔性缓冲组件202的作用下沿缓冲筒内壁直线推出；机械臂移动至机械臂转接座203或舱外失效载荷等其它部位控制该机构摩擦限位主动端200A、被动端100分离；

一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构的被动端100和摩擦限位主动端200A重复连接过程；

为了更换新型舱外有效载荷，需要进行重复连接操作。机构摩擦限位主动端200A与舱外有效载荷固连，通过空间机械臂协助，转运至被动端100附近。当接近机构被动端100时，机械臂与机械臂转接座203通过机械臂适配接口2031连接，控制舱外有效载荷与摩擦限位主动端200A组合体的位姿，使得被动端100的对接杆102落入导向座201大圆柱段孔的捕获范围内。随后，机械臂施加操作力，控制舱外有效载荷与机构摩擦限位主动端200A组合体向机构被动端100逐步靠近；由于对接杆102的曲面柱段与导向座201内部为旋转曲面配合，以此保证重复连接的导向性、平滑性，同时减少重复连接过程中对接杆102与导向座201之间的摩擦阻力与划痕磨损；随后，根据深度指示器101或机械臂的运动位移判断连接插入深度，当到达指定深度后，闩销2051在闩锁弹簧2054作用下实现自动落锁并锁紧，完成摩擦限位主动端200A、被动端100连接锁紧，具备防逃逸的功能，同时具备轴向与周向定位功能。

实施例2

一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构的被动端100和机械限位主动端200B解锁与解锁限位过程；

参见图13，一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构已处于连接锁紧状态，为了拆下已失效舱外载荷，需进行解锁与解锁限位操作。参见图14，机械臂通过操作筒机械臂适配接口20721连接机械臂操作筒2072，施加作用力，沿闩销组件205轴线方向竖直下拉机械臂操作筒2072，克服闩销组件205的闩销弹簧2054阻力，至机械臂操作筒2072下降至闩销组件205的闩销壳包络外后，表明完成了初步解锁。此时若撤除机械臂后，在闩销组件205的闩销弹簧2054力作用下，机械限位主动端200B、被动端100会再次自动落锁连接；

参见图14，机械臂通过操作筒机械臂适配接口20721连接机械臂操作筒2072，进一步绕闩销组件205轴线旋转机械臂操作筒2072，使机械解锁限位解锁组件206B的限位块2067转至限位盘2068的限位凹槽位置，在闩销弹簧2054作用下限位块2067进入对应的限位凹槽，完成机械限位主动端200B与被动端100解锁限位，且在闩销弹簧2054力作用下能够保持解锁的状态，撤除机械臂操作筒2072处的机械臂后，机械限位主动端200B、被动端100不会再次自动落锁连接；

一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构的被动端100和机械限位主动端200B分离导向过程；

参见图15，机械限位主动端200B、被动端100进入解锁限位状态，闩销2051已下移并处于落锁状态并锁紧；机械臂断开与机械臂操作筒2027的连接，机械限位主动端200B在柔性缓冲组件202缓冲弹簧力的作用与缓冲筒内壁的导向作用下沿直线推出；由于被动端100对接杆102与机械限位主动端200B导向座201的四次曲线旋转曲面配合，以及被动端100球形对接头103的结构特殊性，因此分离造成的冲击划痕可以有效的防止；机械臂移动至机械臂转接座203或舱外失效载荷等其它部位控制该机构机械限位主动端200B、被动端100分离；

一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构的被动端100和机械限位主动端200B重复连接过程；

为了更换新型舱外有效载荷，在舱外有效载荷与航天器之间形成连接，需要经行重复连接操作。机械限位主动端200B与舱外有效载荷固连，通过空间机械臂协助，转运至被动端100附近。当接近机构被动端100时，机械臂与机械臂转接座203通过机械臂适配接口2031连接，控制舱外有效载荷与机械限位主动端200B组合体的位姿，使得被动端的对接杆102落入导向座201大圆柱段孔的捕获范围内。随后，机械臂施加操作力，控制舱外有效载荷与机构机械限位主动端200B组合体向机构被动端100逐步靠近，根据深度指示器101或机器臂的运动位移判断连接插入深度，当到达指定深度后，闩销2051在闩锁弹簧2054作用下实现自动落锁并锁紧，机械限位解锁操作杆组件207B、机械限位解锁组件206B在主动端下壳体204豁口中与闩销2051同步上下移动，完成机械限位主动端200B、被动端100连接锁紧，具备防逃逸的功能。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于空间机械臂操作的解锁限位机构，包括被动端和主动端，其特征在于，所述被动端与航天器外壁接口固连，所述主动端与舱外载荷固连；主动端包括摩擦限位主动端和机械限位主动端双组件；

所述被动端包括深度指示器、对接杆、球形对接头和对接底座，对接杆上开有锥形孔，提供自动锁紧功能；

所述主动端包括导向座、柔性缓冲组件、机械臂转接座、主动端下壳体、闩销组件、限位解锁组件和操作杆组件，

被动端与导向座相配合，实现主动端和被动端的刚性连接；导向座在主动端、被动端解锁后提供分离导向功能；柔性缓冲组件以弹簧预紧力的形式为分离过程提供推力；机械臂转接座连接导向座与舱外载荷；机械臂转接座上设置机械臂适配接口，用于主动端与机械臂连接；主动端下部设置主动端下壳体，闩销组件上部连接导向座，下部连接限位解锁组件，限位解锁组件下部连接操作杆组件，实现解锁、解锁限位功能；

闩销组件提升主动端、被动端的连接刚度；闩销组件包括闩销、闩销壳、闩销弹簧垫片、闩销弹簧和中心杆，闩销底部连接中心杆，

闩销壳包括闩销壳上、中、下三个分部，

闩销壳上部包含闩销导向孔、闩销弹簧安装座、中心杆导向孔，闩销导向孔与闩销形成间隙配合滑动副，为闩销提供导向功能，中心杆导向孔与中心杆形成间隙配合滑动副，为中心杆提供导向功能，闩销弹簧安装座上设有闩销弹簧垫片，闩销弹簧通过闩销弹簧垫片与闩销弹簧安装座形成固接；

闩销壳中部包含限位滑块导向筒、中心滑块导向装置，限位滑块导向筒通过内孔与限位滑块形成间隙配合，内孔设有防滑涂层，限位滑块导向筒赋予限位滑块导向功能，中心滑块导向装置与中心滑块形成滑动副，具有滑块导向功能；

闩销壳下部包含连杆转动筒安装座、机械臂操作筒安装座，连杆转动筒安装座通过转动副连接连杆转动筒，机械臂操作筒安装座通过转动副连接机械臂操作筒；

限位解锁组件包括摩擦限位解锁组件和机械限位解锁组件，操作杆组件包括摩擦限位解锁操作杆组件和机械限位解锁操作杆组件。

2.根据权利要求1所述的用于空间机械臂操作的解锁限位机构，其特征在于，所述对接杆分为大直径段、锥形导向段、小直径段，

其中小直径段内设有四棱台通孔，孔壁为斜面，倾角θ小于摩擦自锁角，通孔与闩销斜面对应，使闩销为对接杆提供轴向预紧载荷；

锥形导向段的侧面为旋转曲面，其旋转曲线方程为四次多项式：

其中，R为对接杆锥形导向段大端半径，r为对接杆锥形导向段小端半径，d为锥形导向段轴向距离，对接杆锥形导向段的侧面由四次多项式绕中心轴线旋转得到；

所述被动端的末端设有球形对接头，球形对接头镶嵌在对接杆末端，球形对接头与对接杆的末端球形凹槽为间隙配合；在重复连接过程中，所述球形对接头与主动端导向座曲面内侧接触。

3.根据权利要求1所述的用于空间机械臂操作的解锁限位机构，其特征在于，所述摩擦限位解锁组件包括转接杆、限位筒、限位弹簧、限位滑块和限位扭簧，

转接杆为圆柱形，在闩销壳中直线运动，转接杆上端与中心杆底面固连，转接杆中部与限位筒的一端转动副连接，转接杆下端与摩擦限位解锁操作杆组件中连杆组件的导向滑块固连。

4.根据权利要求3所述的用于空间机械臂操作的解锁限位机构，其特征在于，所述限位筒有偶数个，呈中心对称分布，限位筒的一端与转接杆中部转轴连接，另一端与限位滑块转轴连接，限位筒分为圆柱形半封闭的内筒与外筒，内筒与外筒为滑动配合，内筒底面与外筒底面间通过限位弹簧相连，即限位筒两端的传力路径上串联有限位弹簧。

5.根据权利要求4所述的用于空间机械臂操作的解锁限位机构，其特征在于，所述限位滑块有偶数个，数量与限位筒一致，限位滑块与限位筒转动副连接，限位滑块与闩销壳中部限位滑块导向筒内孔大间隙配合形成滑动副，当重复连接锁紧时在限位扭簧作用下限位滑块与限位滑块导向筒内孔近层贴紧，当解锁限位时受到限位筒的径向力，通过与限位滑块导向筒内孔远层贴紧摩擦限位。

6.根据权利要求5所述的用于空间机械臂操作的解锁限位机构，其特征在于，所述限位扭簧与对称布置的一对限位筒侧壁连接，当重复连接锁紧时，限位扭簧收拢有助于减小摩擦阻力，当解锁限位时克服限位扭簧收拢力，直至通过死点，具备解锁状态自限位能力。

7.根据权利要求1所述的用于空间机械臂操作的解锁限位机构，其特征在于，所述摩擦限位解锁操作杆组件包含连杆组件、机械臂操作筒；

所述连杆组件为倍角机构，使连杆的输出角度放大，同时减小机械臂操作筒所需作用力；

连杆组件包括导向滑块、上连杆、连杆转动筒和下连杆，导向滑块与摩擦限位解锁组件的转接杆固连，同时与上连杆通过转动副连接；连杆转动筒的一端与上连杆的转轴连接，另一端与闩销壳上的转轴连接；连杆转动筒中部为开口槽，下连杆的一端为滚轮，滚轮在连杆转动筒的开口槽中直线滑动，通过滚轮实现上连杆与下连杆转角的比例变化；下连杆另一端绕闩销壳的下转轴转动，同时与机械臂操作筒固连，机械臂操作筒上开设操作筒机械臂适配接口。

8.根据权利要求1所述的用于空间机械臂操作的解锁限位机构，其特征在于，所述机械限位解锁组件包括机械限位筒、限位块和限位盘，限位块为立方体结构，与闩销壳底部的齿状开口大间隙配合，固连在限位盘上，机械限位筒套设在限位块上。

9.根据权利要求8所述的用于空间机械臂操作的解锁限位机构，其特征在于，所述限位盘一端为圆柱盘，与限位块、闩销底部固连，另一端为立方体状，与机械臂操作筒一端固连；机械臂转动机械臂操作筒，使机械限位解锁组件旋转至限位块进入闩销壳底部的开口凹槽中时，实现限位和保持解锁状态。

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