CN114696154B - 一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口 - Google Patents

Abstract

一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口，属于大型空间设施在轨建造技术领域。具有即插即用、轻质化、大容差、高强度、高精度、无性别等优点。每个所述大容差对接结构外端均安装有锁定结构，内端均安装有电气结构，所述两个大容差对接结构之间和两个电气结构之间相互对接设置，每个大容差对接结构均能够通过锁定结构与另一个大容差对接结构锁定连接或者相互脱离。本发明是一种面向未来大型空间设施在轨建造的即插即用接口技术，大型空间设施模块可通过标准化的连接，在轨建造成大型空间设施，未来的空间机械臂也可通过标准化接口组装成不同的构型，以适用于不同的在轨建造任务需求。

Description

一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口

技术领域

本发明属于大型空间设施在轨建造技术领域，具体涉及一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口。

背景技术

空间站、太空望远镜、通讯天线以及空间太阳能站等大型空间平台和基础设施建设代表着国家空间科学技术实力，是航天强国的重要保障，对国家空间安全具有重大战略意义，而在轨建造技术可以不受运载火箭的限制，使大型空间设施的在轨建造成为可能。

20世纪70年代末，美国提出了“天空实验室”计划，国际上开始了在轨组装的研究，随着空间机器人技术的不断成熟，无人在轨操纵技术得以飞速的发展，以美国、欧洲、日本和加拿大为代表的各国都已展开了一系列的研究。美国先后启动了Phoenix计划、地球同步轨道卫星机器人服计划（RSGS）、SpiderFab计划、大型结构系统太空装配计划（SALSSA），对在轨建造技术进行了研究。我国科技部也启动了“科技创新2030-重大项目”计划，其中深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统成为重点研究内容，拟突破在轨服务维护技术，提高我国空间资产使用效益，保障飞行器在轨安全可靠运行。

模块化设计技术是大型空间设施在轨建造的根本前提，将大型空间设施进行模块化设计，在空间机器人系统的协助下，大型空间设施模块通过标准化接口完成在轨组装，优化模块设计，可大幅度降低发射成本与在轨建造任务难度。即插即用标准化接口技术是模块化设计的关键技术之一。

目前，大型空间设施模块接口还缺乏标准化的设计，研究标准化接口技术对我国空间科学技术的发展具有重大的意义。

发明内容

本发明为了解决大型空间设施模块接口缺乏标准化设计的问题，进而提供一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口，具有即插即用、轻质化、大容差、高强度、高精度、无性别等优点。

本发明所采取的技术方案是：

一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口，包括两个大容差对接结构、两个锁定结构及两个电气结构；每个所述大容差对接结构外端均安装有锁定结构，内端均安装有电气结构，所述两个大容差对接结构之间和两个电气结构之间相互对接设置，每个大容差对接结构均能够通过锁定结构与另一个大容差对接结构锁定连接或者相互脱离。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的无性别接口通过设计对接斜面和对接锥面以及整体120°旋转对称式的设计，使其具有非常大的容差能力，允许视觉或机械臂操作有较大的误差时，仍可准确快速的连接。

2、本发明的接口锁紧结构简单，可以单侧锁紧、也可以双侧锁紧，采用销锁紧方式，具有较大的连接强度。

3、本发明的接口还具有体积小、质量轻、精度高的优点，应用价值较高。

4、大型空间设施模块可以通过本发明的无性别的接口快速自由连接，组装成大型空间设施，任意模块之间皆可连接，无公母的限制，且可以120°旋转对称连接。

5、未来的在轨建造机械臂也可以进行模块化设计，可通过无性别接口自由组装成任务所需要的机械臂构型。

6、未来的卫星也可进行模块化设计，卫星模块通过无性别接口连接，当模块发生故障时，可以通过接口替换故障模块，对卫星进行维修，降低成本。

7、本发明是一种面向未来大型空间设施在轨建造的即插即用接口技术，大型空间设施模块可通过标准化的连接，在轨建造成大型空间设施，未来的空间机械臂也可通过标准化接口组装成不同的构型，以适用于不同的在轨建造任务需求。本发明的接口技术是未来大型空间设施在轨建造的关键技术之一，具有质量轻、即插即用、超大容差、高精度、高强度、无性别等优点，结构简单可靠。

附图说明

图1是本发明结构爆炸视图；

图2是本发明主视图；

图3是本发明左视图；

图4是图3的A-A剖面图；

图5是本发明弹簧顶针板；

其中：1、大容差对接结构；2、锁定结构；3、电气结构；11、对接本体； 12、对接斜面；13、对接锥面；14、爪式对接部；21、锥形台；22、锁紧滑块；23、锁定槽；24、滑块导轨平台；25、电动推杆；26、电动推杆支架； 211、倾斜T型槽；221、T型键二；222、T型键一；241、径向T型槽；31、弹簧顶针板；32、摄像头。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。

参照图1～图5所示，本发明的一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口，包括两个大容差对接结构1、两个锁定结构2及两个电气结构3；每个所述大容差对接结构1外端均安装有锁定结构2，内端均安装有电气结构3，所述两个大容差对接结构1之间和两个电气结构3之间相互对接设置，每个大容差对接结构1均能够通过锁定结构2与另一个大容差对接结构1锁定连接或者相互脱离。两个大容差对接结构1可通过一个锁定结构2进行单侧锁紧或者通过两个锁定结构2进行双侧锁紧。

其中：所述大容差对接结构1包括两个对接本体11；每个对接本体11 主体均为圆形结构，并设有内腔用于安装电气结构3，在每个对接本体11的外壁上均布开设有三个V型槽，使两个对接本体11上形成爪式对接部14，爪式对接部14与V型槽能够相互对接，且每个爪式对接部14的两侧面为对接斜面12，对接斜面12使得大容差对接结构1在绕轴线旋转方向上具有较大的角度容差能力，每个爪式对接部14内端面和V型槽上相应的内端面互为对接锥面13，对接锥面13使得大容差对接结构1在径向有较大的位移容差能力以及径向翻转上有较大的角度容差能力。

每个V型槽的夹角处均加宽设置，增大大容差对接结构1绕轴线旋转方向角度容差能力；每个爪式对接部14和V型槽上相应的对接锥面均可加宽处理，增大大容差对接结构1在径向的位移容差能力以及径向翻转上的角度容差能力。

大容差对接结构1具有镜像对称和120°旋转对称的优点，两个大容差对接结构1可以实现完全无性别连接以及120°旋转对称连接。

每个所述锁定结构2的锥形台21一端连接在其中一个大容差对接结构1 上，锥形台21另一端与锁定结构2的锁紧滑块22一端连接，锥形台21能够带动锁紧滑块22产生位移，使锁紧滑块22另一端与另一个大容差对接结构 1能够产生连接或者相互脱离，从而使两个大容差对接结构1之间能够锁定或者脱离。

具体为：每个所述锁定结构2均包括锥形台21、锁紧滑块22、锁定槽 23、滑块导轨平台24、电动推杆25及电动推杆支架26；所述滑块导轨平台 24插入对应大容差对接结构1外端内，并通过螺栓与大容差对接结构1固定连接，所述电动推杆25通过电动推杆支架26固定在滑块导轨平台24上，所述锥形台21同轴滑动插入滑块导轨平台24设置的中心孔内，电动推杆25 作为驱动装置与锥形台21外端面固连，驱动锥形台21沿滑块导轨平台24 轴线做直线运动，所述三个锁紧滑块22均布环绕驱动锥形台21轴线设置在对应的大容差对接结构1和锥形台21之间，三个锁紧滑块22内端各设置一个T型键二221，所述锥形台21的外锥面上开设有三个倾斜T型槽211，采用120°均布设计，三个T型键二221与三个倾斜T型槽211匹配滑动连接，通过锥形台21轴向运动能够带动三个锁紧滑块22的径向移动，每个大容差对接结构1的爪式对接部14内侧面上均开设有锁定槽23，三个锁紧滑块22 的向外径向移动时能够插入对面的锁定槽23内。

当电动推杆25推动锥形台21运动带动锁紧滑块22运动，当锁紧滑块 22与另一端锁定槽23接触时，完成锁止任务，逆向运动则解锁。

所述滑块导轨平台24内端面上开设三个径向T型槽241，所述三个锁紧滑块22的外端面均沿其径向设有T型键一222，三个T型键一222滑动安装在径向T型槽241内，能够限制三个锁紧滑块22的移动方向和增加锁紧滑块22的稳定性。

每个所述电气结构3包括弹簧顶针板31及摄像头32；所述弹簧顶针板 31固定在对应的大容差对接结构1内端内，摄像头32固定在弹簧顶针板31 的中间。

每个所述弹簧顶针板31整体采用120°旋转对称设计，弹簧顶针板31 上的弹簧顶针120°旋转对称式安装在板体上。

当接口对接工作完成时，两侧的弹簧顶针板31自动连接，实现接口的通电通信；摄像头32固定弹簧顶针板31的中间，为接口对接过程中视觉伺服控制提供图像信息。

工作原理：

对接前，电动推杆25和锥形台21处于缩回状态，锁紧滑块22收紧聚拢在中心处，两侧大容差对接结构1处于自由对接状态。

对接阶段开始，在摄像头32提供的图像信息引导下，控制机械臂操作两个大容差对接结构1靠近，接近，由于视觉信息存在一定误差，在对接到一定程度时，由于接口具有大容差特点，再通过机械臂阻抗控制，可实现接口 l两侧大容差对接结构1和弹簧顶针板31完全对接，此时，两侧的对接斜面 12和对接锥面13完全贴合，从而实现接口的机械、电气的连接。

接口对接完成之后，锁定阶段开始，在电动推杆25的推动作用下，锥形台21轴向朝另一侧接口移动，带动锁紧滑块22在滑块导轨平台24上径向向外运动，直至锁紧滑块22卡住接口另一侧大容差对接结构1上的锁定槽23，完成接口的锁定，两侧接口具有对称性，且锁定结构具有反向自锁的特点，所锁定一侧和锁定两侧均具有较大的锁紧力。

当需要更换模块时，接口需要解锁，解锁阶段开始，在电动推杆25的拉动作用下，锥形台21轴向朝己侧接口移动，带动锁紧滑块22在滑块导轨平台24上径向向里运动，直至锁紧滑块22完全脱离另一侧大容差对接结构1 上的锁定槽23，完成接口的解锁，此时两侧大容差对接结构1可以自由分离。

替换说明：可改变锥形台21中倾斜T型槽211的倾斜角度，也可将倾斜T型槽211替换成燕尾槽或其它结构的导向槽；可将电动推杆25更换成电机丝杠、电磁铁或者记忆合金等能直线运动的驱动装置；可以改变对接斜面12的倾角和对接锥面13的锥角，改变大容差对接结构1的容差，也可将大容差对接结构1设计成90°、180°等角度旋转对称结构。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口，其特征在于：包括两个大容差对接结构（1）、两个锁定结构（2）及两个电气结构（3）；每个所述大容差对接结构（1）外端均安装有锁定结构（2），内端均安装有电气结构（3），所述两个大容差对接结构（1）之间和两个电气结构（3）之间相互对接设置，每个大容差对接结构（1）均能够通过锁定结构（2）与另一个大容差对接结构（1）锁定连接或者相互脱离，

所述大容差对接结构（1）包括两个对接本体（11）；在每个所述对接本体（11）的外壁上均布开设有三个V型槽，使两个对接本体（11）上形成爪式对接部（14），爪式对接部（14）与V型槽能够相互对接，且每个爪式对接部（14）两侧面为对接斜面（12），对接斜面（12）使得大容差对接结构（1）在绕轴线旋转方向上具有较大的角度容差能力，每个爪式对接部（14）内端面和V型槽上相应的内端面互为对接锥面（13），对接锥面（13）使得大容差对接结构（1）在径向有较大的位移容差能力以及径向翻转上有较大的角度容差能力，

每个所述锁定结构（2）的锥形台（21）一端连接在其中一个大容差对接结构（1）上，锥形台（21）另一端与锁定结构（2）的锁紧滑块（22）一端连接，锥形台（21）能够带动锁紧滑块（22）产生位移，使锁紧滑块（22）另一端与另一个大容差对接结构（1）能够产生连接或者相互脱离，从而使两个大容差对接结构（1）之间能够锁定或者脱离，

每个所述锁定结构（2）均包括锥形台（21）、锁紧滑块（22）、锁定槽（23）、滑块导轨平台（24）、电动推杆（25）及电动推杆支架（26）；所述滑块导轨平台（24）插入对应大容差对接结构（1）外端内，并通过螺栓与大容差对接结构（1）固定连接，所述电动推杆（25）通过电动推杆支架（26）固定在滑块导轨平台（24）上，所述锥形台（21）同轴滑动插入滑块导轨平台（24）设置的中心孔内，电动推杆（25）作为驱动装置与锥形台（21）外端面固连，驱动锥形台（21）沿滑块导轨平台（24）轴线做直线运动，三个所述锁紧滑块（22）均布环绕驱动锥形台（21）轴线设置在对应的大容差对接结构（1）和锥形台（21）之间，三个锁紧滑块（22）内端各设置一个T型键二（221），所述锥形台（21）的外锥面上开设有三个倾斜T型槽（211），三个T型键二（221）与三个倾斜T型槽（211）匹配滑动连接，通过锥形台（21）轴向运动能够带动三个锁紧滑块（22）的径向移动，每个大容差对接结构（1）的爪式对接部（14）内侧面上均开设有锁定槽（23），三个锁紧滑块（22）的向外径向移动时能够插入对面的锁定槽（23）内，

每个所述电气结构（3）包括弹簧顶针板（31）及摄像头（32）；所述弹簧顶针板（31）固定在对应的大容差对接结构（1）内端内，摄像头（32）固定在弹簧顶针板（31）的中间。

2.根据权利要求1所述的一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口，其特征在于：所述滑块导轨平台（24）内端面上开设三个径向T型槽（241），所述三个锁紧滑块（22）的外端面均沿其径向设有T型键一（222），三个T型键一（222）滑动安装在径向T型槽（241）内。

3.根据权利要求2所述的一种用于未来在轨建造任务的大容差无性别机电接口，其特征在于：每个所述弹簧顶针板（31）整体采用120°旋转对称设计，弹簧顶针板（31）上的弹簧顶针120°旋转对称式安装在板体上。

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