CN115367152B - 一种面向空间在轨服务的快装快换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向空间在轨服务的快装快换装置，属于空间在轨服务机构领域。解决了传统的空间对接装置结构复杂、拓展性差，无法满足未来在轨服务需求的问题。该装置的驱动电机用于驱动后端的螺纹丝杠转动，螺纹丝杠的转动带动与之相配合的T型连接螺母的上下平移运动，T型连接螺母与夹爪驱动滑块相固连，从而带动夹爪驱动滑块在滑杆上下平移运动，夹爪驱动滑块与夹爪铰接，进而带动夹爪收缩和打开，上部连接盘将底部驱动与主动锁紧机构下盘相连接；夹爪用于与被动连接机构相互作用，实现夹持抓取对接功能。本发明具有独特的机械接口和电气接口，可以将各类在轨空间模块稳定、快速地连接在一起，形成具有机电一体化的整体。

Description

一种面向空间在轨服务的快装快换装置

技术领域

本发明属于空间在轨服务机构技术领域，特别是涉及一种面向空间在轨服务的快装快换装置。

背景技术

为了适应航天技术的发展需求，面向未来的先进在轨服务项目已经成为世界各个航天机构的重点研究对象，并且具有多样化、复杂化和智能化的发展趋势。空间对接装置是让两个或多个航天器模块实现连接、分离的机构，被广泛应用在各类在轨任务中，如航天器在轨装配、在轨服务、在轨变构等。在面对日益复杂的在轨操作对象时，要求空间对接装置的设计具有模块化、可拓展性高、通用性强、安装拆卸方便等特点，能够满足不同任务的要求，同时空间对接装置所处的工作环境往往非常恶劣，存在高真空、电离辐射强、可见度差、控制延时大等难题，要求空间对接装置在结构设计上具有高可靠性和自校正对接能力。

世界各个主要航天机构针对空间快装快换装置的设计已经开始了相关研究。Nasa提出的弱撞击对接系统(LIDS)，是为了解决在轨故障容错、维持能力以及相关高可靠性能等任务难题而设计研发的技术，用两个结构完全相同的周边式对接机构，搭配stewart六自由度平台，通过柔顺控制的对接技术，完成两块对接机构的结构连接，目前已应用到“猎户座”系列飞船和国际空间站上。俄罗斯“联盟号”飞船的对接机构使用“杆-锥”式结构，该对接机构属于被动缓冲式对接机构，同时采用“异体同构”的设计原则，对接通用性强。日本的工程卫星七号对接系统采用三套抱爪式对接机构，主要适用于质量较轻、交会速度较低的航天器对接，控制精度的要求较高。

以上的空间对接装置都是面向大型载人航天器舱段的对接任务，且普遍都是在宇航员的直接操作下完成对接，在未来的在轨操作任务中，小型无人智能空间机器人系统会大量应用到在轨服务中，如美国的“凤凰计划”提出以大量的空间智能机器人进行大规模航天器的在轨组装。然而传统的空间对接装置结构复杂、拓展性差，不具备“一机多用”、“拓展变构”的功能，将无法满足未来在轨服务的需求。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述背景技术中提到的技术问题，本发明提出一种面向空间在轨服务的快装快换装置，将应用于未来空间机器人进行各类种类繁多、复杂的在轨任务当中。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种面向空间在轨服务的快装快换装置，包括主动连接机构和被动连接机构，所述主动连接机构和被动连接机构连接；

所述主动连接机构包括电机支撑套筒、上部连接盘、驱动电机、锁紧检测开关、锁紧检测开关支架、一号引导槽、多个夹爪、多个T型连接螺母、螺纹丝杠、多个夹爪驱动滑块和多个滑杆；

所述电机支撑套筒内置有驱动电机，用于驱动后端的螺纹丝杠转动，螺纹丝杠的转动带动与之相配合的T型连接螺母的上下平移运动，T型连接螺母与夹爪驱动滑块通过螺钉相固连，从而带动夹爪驱动滑块在滑杆上下平移运动，夹爪驱动滑块与夹爪铰接，进而带动夹爪收缩和打开，所述上部连接盘将底部驱动与主动锁紧机构下盘相连接；所述夹爪用于与被动连接机构相互作用，实现夹持抓取对接功能。

更进一步的，主动连接机构搭载在空间机械臂末端，承担主动抓取和对接的功能。

更进一步的，所述主动连接机构的通过主动连接机构底部法兰与空间机械臂末端固定连接。

更进一步的，所述驱动电机为步进电机或者伺服电机。

更进一步的，所述锁紧检测开关用于检测螺纹丝杠的行程，当螺纹丝杠转动，夹爪闭合时，驱动夹爪驱动滑块下移当到达导轨滑杆底部时，夹爪驱动滑块上的金属触片与锁紧检测开关接触产生电信号传输给驱动电机，驱动电机停止转动并锁紧。

更进一步的，三个夹爪采用并联的方式运动，夹爪在夹爪滑动槽中运动。

更进一步的，主动锁紧机构下盘上连接夹爪支架、滑杆和上部连接盘；主动锁紧机构上盘上连接夹爪支架、滑杆以及螺纹丝杠轴承。

更进一步的，一号引导槽为V型铝合金板件，位于主动锁紧机构下盘和主动锁紧机构上盘之间，同时与夹爪支架相固定。

更进一步的，夹爪滑动槽与夹爪支架为铰接，所以夹爪驱动滑块的平移运动被转化为夹爪的开合运动。

更进一步的，预紧弹簧位于夹爪驱动滑块后，用于提高夹持的应力，同时降低接触的刚度，使得机构免于直接接触而挤压变形损坏。

更进一步的，所述被动连接机构包括二号引导槽、被动连接机构电气接口、被动连接机构定位槽、被动连接机构定位销和被动连接机构法兰；主动锁紧机构上盘是对接时与被对接物体直接接触的部分，其上有主动连接机构定位销和主动连接机构定位槽，与被动连接机构定位槽和被动连接机构定位销相对应，主动连接机构电气接口和被动连接机构电气接口主要用于对接过程中电气通路的连接，通过串口的连接，使得电机和传感器的控制信号和数据能够在主动连接机构和被动连接机构之间传输，可以实现空间机械臂末端不同工具的更换和控制和机械臂构型的变换和控制。

与现有技术相比，本发明所述的一种面向空间在轨服务的快装快换装置有益效果是：

(1)本发明采用并联式的三爪锁紧机构设计，结构简单，可靠性高，适用于极端的空间工作环境。

(2)本发明采用V型引导槽设计，可以在对接过程中引导夹爪的运动，实现两个对接装置之间的姿态矫正，满足更精确的对接精度需求，适用于可视程度低、控制时延高的条件下的空间对接任务。

(3)本发明采用“异体同构”设计，不仅可以实现主动端和被动端的对接，还支持两个主动端相互对接，这样的设计可以让末端搭载快装快换装置的空间机械臂实现“多臂协同”、“灵活变构”等功能。

(4)本发明与现有结构相比，添加了预紧机构，即预紧弹簧机构，该机构可以实现对接碰撞过程中的“软接触”，既增加了缓冲避免刚性碰撞对机构的损坏，又可以利用弹簧施加更大的预紧力，使得对接更加牢固稳定。

(5)本发明具有机械连接可靠性高、支持快拔插的电气接口、大干扰条件下的自矫正能力强、模块化设计可拓展性高、异体同构的结构设计等特点，适用于未来航天器无人化在轨操作的任务要求。

(6)本发明作为一种在轨连接装置，具有独特的机械接口和电气接口，可以将各类在轨空间模块稳定、快速地连接在一起，形成具有机电一体化的整体，如在轨机械臂末端与另一机械臂末端之间、机械臂末端与各类在轨工具之间、机械臂末端与目标星体之间、两个对接的小型航天器之间等等。

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为面向空间在轨服务的快装快换装置的爆炸结构示意图一；

图2为面向空间在轨服务的快装快换装置的爆炸结构示意图二；

图3为快装快换装置打开和闭合状态下的主剖视图和俯视图，其中(a)表示的是打开状态下的主剖视图，(b)表示的是打开状态下的俯视图，(c)表示的是闭合状态下的主剖视图，(d)表示的是闭合状态下的俯视图；

图4为两个快装快换装置主动端相互对接完成状态示意图；

图5为快装快换装置主动端与被动端(工具端)相互对接完成状态示意图；

图6为卫星利用快装快换装置连接末端工具进行在轨操作；

图7为两个卫星利用快装快换装置进行在轨对接；

图8为快装快换装置末端搭载视觉相机示意图；

图9为利用快装快换装置组成空间多肢机器人系统；

图中：1-主动连接机构；1-1-主动连接机构底部法兰；1-2-电机支撑套筒；1-3-上部连接盘；1-4-驱动电机；1-5-锁紧检测开关；1-6-锁紧检测开关支架；1-7-主动锁紧机构下盘；1-8-一号引导槽；1-9-夹爪；1-10-夹爪滑动槽；1-11-夹爪支架；1-12-主动锁紧机构上盘；1-13-螺纹丝杠轴承；1-14-T型连接螺母；1-15-螺纹丝杠；1-16-夹爪驱动滑块；1-17-滑杆；1-18-预紧弹簧；1-19-上盘卡槽；1-20-主动连接机构电气接口；1-21-主动连接机构定位销；1-22-主动连接机构定位槽；2-被动连接机构；2-1-二号引导槽；2-2-被动连接机构电气接口；2-3-被动连接机构定位槽；2-4-被动连接机构定位销；2-5-被动连接机构法兰。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一、具体实施方式一，参见图1-9说明本实施方式，一种面向空间在轨服务的快装快换装置，包括主动连接机构1和被动连接机构2，所述主动连接机构1和被动连接机构2连接；

所述主动连接机构1包括电机支撑套筒1-2、上部连接盘1-3、驱动电机1-4、锁紧检测开关1-5、锁紧检测开关支架1-6、一号引导槽1-8、多个夹爪1-9、、多个T型连接螺母1-14、螺纹丝杠1-15、多个夹爪驱动滑块1-16和多个滑杆1-17；

所述电机支撑套筒1-2内置有驱动电机1-4，用于驱动后端的螺纹丝杠1-15转动，螺纹丝杠1-15的转动带动与之相配合的T型连接螺母1-14的上下平移运动，T型连接螺母1-14与夹爪驱动滑块1-16通过螺钉相固连，从而带动夹爪驱动滑块1-16在滑杆1-17上下平移运动，夹爪驱动滑块1-16与夹爪1-9铰接，进而带动夹爪1-9收缩和打开，所述上部连接盘1-3将底部驱动与主动锁紧机构下盘1-7相连接；所述夹爪1-9用于与被动连接机构2相互作用，实现夹持抓取对接功能。

主动连接机构1搭载在空间机械臂末端，承担主动抓取和对接的功能。

所述主动连接机构1的通过主动连接机构底部法兰1-1与空间机械臂末端固定连接。

所述驱动电机1-4为步进电机或者伺服电机。

主动锁紧机构下盘1-7与夹爪支架1-11、滑杆1-17和上部连接盘1-3相互连接。

主动锁紧机构上盘1-12与夹爪支架1-11、滑杆1-17以及螺纹丝杠轴承1-13相连接。

所述上盘凹卡槽1-19位于主动锁紧机构上盘1-12背部，用于对接时，夹爪1-9可以扣紧凹槽，增加对接的稳定性和可靠性。

所述锁紧检测开关1-5用于检测螺纹丝杠1-15的行程，当螺纹丝杠1-15转动，夹爪1-9闭合时，驱动夹爪驱动滑块1-16下移当到达导轨滑杆1-17底部时，夹爪驱动滑块1-16上的金属触片与锁紧检测开关1-5接触产生电信号传输给驱动电机1-4，驱动电机1-4停止转动并锁紧。

三个夹爪1-9采用并联的方式运动，夹爪1-9在夹爪滑动槽1-10中运动。

夹爪滑动槽1-10与夹爪支架1-11为铰接，所以夹爪驱动滑块1-16的平移运动被转化为夹爪1-9的开合运动。

预紧弹簧1-18位于夹爪驱动滑块1-16后，用于提高夹持的应力，同时降低接触的刚度，使得机构免于直接接触而挤压变形损坏。

本发明所述的一种面向空间在轨服务的快装快换装置的主动连接机构1为异体同构设计，即没有“公母”之分，意味着不仅主动连接机构1和被动连接机构2可以对接，两个主动连接机构1之间也可以相互对接，便于空间机械臂的变构型和任务拓展。

所述被动连接机构2包括二号引导槽2-1、被动连接机构电气接口2-2、被动连接机构定位槽2-3、被动连接机构定位销2-4和被动连接机构法兰2-5。一号引导槽1-8为一V型铝合金板件，位于主动锁紧机构下盘1-7和主动锁紧机构上盘1-12之间，同时与夹爪支架1-11相固定。二号引导槽2-1与一号引导槽1-8作用相同，都是用于在对接夹持过程中帮助夹爪1-9更精确地定位，“V”型的设计可以在夹爪1-9接触时，便于将夹爪1-9引导到更狭窄的底部凹槽，通过姿态矫正从而实现精确的定位对接，这种设计适用于视觉条件差、控制时延大的复杂宇宙空间工作条件中，提高了对接的可靠性和精确性。

所述主动锁紧机构上盘1-12是对接时与被对接物体直接接触的部分，其上有主动连接机构定位销1-21和主动连接机构定位槽1-22，与被动连接机构定位槽2-3和被动连接机构定位销2-4相对应，对接时相互装配，起到限位作用。同时，定位槽和定位销的锥型设计也可以引导对接过程，使得对接更加可靠精准。

主动连接机构电气接口1-20和被动连接机构电气接口2-2主要用于对接过程中电气通路的连接，通过串口的连接，使得电机和传感器的控制信号和数据能够在主动端和被动端之间传输，可以实现空间机械臂末端不同工具的更换和控制和机械臂构型的变换和控制。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (6)

1.一种面向空间在轨服务的快装快换装置，其特征在于：包括主动连接机构(1)和被动连接机构(2)，所述主动连接机构(1)和被动连接机构(2)连接，并且主动连接机构(1)能和另一个主动连接机构(1)连接；

所述主动连接机构(1)包括电机支撑套筒(1-2)、上部连接盘(1-3)、驱动电机(1-4)、锁紧检测开关(1-5)、锁紧检测开关支架(1-6)、主动锁紧机构下盘(1-7)、主动锁紧机构上盘(1-12)、一号引导槽(1-8)、多个夹爪(1-9)、多个T型连接螺母(1-14)、螺纹丝杠(1-15)、多个夹爪驱动滑块(1-16)、多个滑杆(1-17)和上盘凹卡槽（1-19），

所述电机支撑套筒(1-2)内置有驱动电机(1-4)，用于驱动后端的螺纹丝杠(1-15)转动，螺纹丝杠(1-15)的转动带动与之相配合的T型连接螺母(1-14)的上下平移运动，T型连接螺母(1-14)与夹爪驱动滑块(1-16)固连，从而带动夹爪驱动滑块(1-16)在滑杆(1-17)上下平移运动，夹爪驱动滑块(1-16)与夹爪(1-9)铰接，进而带动夹爪(1-9)收缩和打开，所述上部连接盘(1-3)将电机支撑套筒(1-2)与主动锁紧机构下盘(1-7)相连接；所述夹爪(1-9)用于与被动连接机构(2)相互作用，实现夹持抓取对接功能；所述上盘凹卡槽(1-19)位于主动锁紧机构上盘(1-12)背部，用于主动连接机构(1)和另一个主动连接机构(1)对接时，夹爪(1-9)用于扣紧上盘凹卡槽(1-19)，增加对接的稳定性和可靠性；

所述锁紧检测开关(1-5)用于检测螺纹丝杠(1-15)的行程，当螺纹丝杠(1-15)转动，夹爪(1-9)闭合时，驱动夹爪驱动滑块(1-16)下移，当到达导轨滑杆(1-17)底部时，夹爪驱动滑块(1-16)上的金属触片与锁紧检测开关(1-5)接触产生电信号传输给驱动电机(1-4)，驱动电机(1-4)停止转动并锁紧；

所述被动连接机构(2)包括二号引导槽(2-1)、被动连接机构电气接口(2-2)、被动连接机构定位槽(2-3)、被动连接机构定位销(2-4)和被动连接机构法兰(2-5)；主动锁紧机构上盘(1-12)上设置有主动连接机构定位销(1-21)和主动连接机构定位槽(1-22)，与被动连接机构定位槽(2-3)和被动连接机构定位销(2-4)相对应，主动连接机构电气接口(1-20)和被动连接机构电气接口(2-2)用于对接过程中电气通路的连接，通过串口的连接，使得电机和传感器的控制信号和数据能够在主动连接机构(1)和被动连接机构(2)之间传输，可以实现空间机械臂末端不同工具的更换和控制，以及机械臂构型的变换和控制；

主动锁紧机构下盘(1-7)上连接夹爪支架(1-11)、滑杆(1-17)和上部连接盘(1-3)；主动锁紧机构上盘(1-12)上连接夹爪支架(1-11)、滑杆(1-17)以及螺纹丝杠轴承(1-13)；

一号引导槽(1-8)为V型铝合金板件，位于主动锁紧机构下盘(1-7)和主动锁紧机构上盘(1-12)之间，同时与夹爪支架(1-11)相固定，一号引导槽(1-8)用于在对接夹持过程中帮助夹爪(1-9)更精确地定位。

2.根据权利要求1所述的面向空间在轨服务的快装快换装置，其特征在于：主动连接机构(1)搭载在空间机械臂末端，承担主动抓取和对接的功能。

3.根据权利要求2所述的面向空间在轨服务的快装快换装置，其特征在于：所述主动连接机构(1)通过主动连接机构底部法兰(1-1)与空间机械臂末端固定连接。

4.根据权利要求1所述的面向空间在轨服务的快装快换装置，其特征在于：所述多个夹爪(1-9)为三个夹爪(1-9)，三个夹爪(1-9)采用并联的方式运动，夹爪(1-9)在夹爪滑动槽(1-10)中运动。

5.根据权利要求1所述的面向空间在轨服务的快装快换装置，其特征在于：夹爪滑动槽(1-10)与夹爪支架(1-11)为铰接，所述夹爪驱动滑块(1-16)的平移运动被转化为夹爪(1-9)的开合运动。

6.根据权利要求1所述的面向空间在轨服务的快装快换装置，其特征在于：预紧弹簧(1-18)位于夹爪驱动滑块(1-16)后，用于提高夹持的应力，同时降低接触的刚度。