CN115972139A - 一种主被动端同构式大容差对接装置 - Google Patents

Abstract

一种主被动端同构式大容差对接装置，属于航天器在轨服务技术领域。本发明是为了解决现有的快换接口存在通用性低、连接强度小、可靠性低以及无法实现电气的连接与流体的传输的问题。本发明包括两个对接锁紧模块，其中一个对接锁紧模块作为主动对接模块，并安装在空间机械臂上；另一个对接锁紧模块作为被动对接模块，并安装在快换工具上；所述的空间机械臂与快换工具通过两个对接锁紧模块实现对接锁紧或快速拆卸，完成操作工具的快速安装与更换。本发明主要用于机械臂模块与快换工具的连接。

Description

一种主被动端同构式大容差对接装置

技术领域

本发明属于航天器在轨服务技术领域，尤其涉及一种主被动端同构式大容差对接装置。

背景技术

目前航天领域的重大挑战已经不仅仅是如何发送复杂庞大的航天器系统，更多的是如何保证航天器能够更加长久、稳定地在空间轨道上运行，因此在轨维护技术应运而生。空间机器人在轨维护技术以其低成本、安全、可靠等优点赢得了各国的青睐。其中，研制用于实现机器人末端操作工作快速更换的标准接口，成为了提高空间在轨服务效率的重要途径。

传统的对接机构一般分为主-被动连接模块，例如公开号“CN115366151A”公开的“托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头”的中国专利，其采用两种不同形式的接头进行对接，通用性低；也有采用两种同构的对接模块进行对接，例如公开号“CN108247667A”公开的“一种同构的可重构机械臂的快换接口”的中国专利，虽然其采用两种相同的模式进行对接，但是其不具备锁紧的功能，连接强度小，在操作快换工具时，可靠性低。并且现有的对接装置无法实现电气的连接与流体的传输，从而阻碍了在轨服务任务的高效可靠实施。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的快换接口存在通用性低、连接强度小、可靠性低以及无法实现电气的连接与流体的传输的问题；进而提供一种主被动端同构式大容差对接装置。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种主被动端同构式大容差对接装置，它包括两个对接锁紧模块，其中一个对接锁紧模块作为主动对接模块，并安装在空间机械臂上；另一个对接锁紧模块作为被动对接模块，并安装在快换工具上；所述的空间机械臂与快换工具通过两个对接锁紧模块实现对接锁紧或快速拆卸，完成操作工具的快速安装与更换；

每个所述的对接锁紧模块包括支撑外壳、导向对接内壳、驱动机构、若干组锁紧机构、电气与流体接口机构、电控机构、弹性支撑机构、连接法兰和若干个传感单元；所述的支撑外壳套在导向对接内壳外，且二者之间由下至上轴向依次形成第一腔体与第二腔体，所述的支撑外壳与导向对接内壳之间可以轴向移动，且第一腔体内的轴向高度可随着支撑外壳与导向对接内壳之间的移动而改变，所述的弹性支撑机构安装在第一腔体内，并用于第二腔体的轴向支撑；所述的导向对接内壳为环状结构，导向对接内壳的底端固连在连接法兰的上表面上，且导向对接内壳与连接法兰之间形成环形内腔，所述的驱动机构安装在环形内腔内，并用于第二腔体的轴向移动；若干组所述的锁紧机构周向均匀安装在第二腔体内，并用于两个所述的对接锁紧模块的锁紧；所述的电气与流体接口机构安装在导向对接内壳内，并可相对导向对接内壳的内壁上下移动，所述的电控机构安装在连接法兰上，若干个所述的传感单元安装在导向对接内壳上。

进一步的，所述的支撑外壳包括固定外壳、装配定位壳和滑动外壳，所述的固定外壳、装配定位壳和滑动外壳均为筒状结构，且由下至上轴向依次套在导向对接内壳外，所述的固定外壳、装配定位壳和滑动外壳与导向对接内壳之间分别形成封闭端和开口端；所述固定外壳的底端固连在连接法兰的上表面上，装配定位壳的底端从固定外壳与导向对接内壳之间的开口端插在固定外壳与导向对接内壳之间，且固定外壳、装配定位壳与导向对接内壳之间形成第一腔体，所述固定外壳的顶端与装配定位壳的外壁滑动设置；所述装配定位壳的顶端从滑动外壳与导向对接内壳之间的开口端插在滑动外壳与导向对接内壳之间，且滑动外壳、装配定位壳与导向对接内壳之间形成第二腔体，所述滑动外壳的底端与装配定位壳的顶端螺纹连接，滑动外壳的顶端与导向对接内壳的外壁滑动设置。

进一步的，所述的导向对接内壳包括一体设置的内环、外环和连接环，所述的外环同轴套在内环外，连接环设置在内环的顶部与外环的顶部之间，所述的内环、外环和连接环之间形成环形凹槽，导向对接内壳的环形凹槽与连接法兰之间形成环形内腔。

进一步的，所述连接环的顶端为花瓣状结构，其包括若干个沿圆周方向均匀设置的凸起部，相邻的两个凸起部之间形成一个凹陷部，所述凸起部的形状与凹陷部的形状相匹配；每个所述的凸起部的外侧壁上靠近尖端的位置开有一个弧形槽；每个所述的凸起部的外侧壁上靠近根部的位置沿圆周方向开有两个凹槽，两个所述的凹槽分别贯穿于凸起部两侧的斜坡面；在两个对接锁紧模块对接完成的情况下，其中一个对接锁紧模块上的凸起部上的弧形槽与另一个对接锁紧模块上的相邻的两个凸起部上的两个凹槽整体形成一个锁紧凹槽。

进一步的，所述导向对接内壳的内环上沿圆周方向均匀开有若干个第一滑动通孔，导向对接内壳的外环上沿圆周方向均匀开有若干个第二滑动通孔，所述的第一滑动通孔与第二滑动通孔的开孔方向与导向对接内壳的轴线方向相同；所述的第一滑动通孔与第二滑动通孔错位设置。

进一步的，所述的驱动机构包括驱动电机、传动组件和环状凸轮；所述的环状凸轮套装在导向对接内壳的内环外，并可相对于内环转动，所述的驱动电机安装在连接法兰上，驱动电机通过传动组件带动环状凸轮转动；所述的环状凸轮包括一体设置的内导向环和外导向环，所述的外导向环同轴套在内导向环外；所述的内导向环上沿着圆周方向开有若干个导向通孔，每个导向通孔的开孔方向与内导向环的圆周方向一致，且每个导向通孔包括两段水平段和一段倾斜驱动段，两段水平段通过倾斜驱动段进行连通；所述外导向环的底端沿着圆周方向开有若干个梯形豁口，相邻的两个梯形豁口之间形成一个倒梯形块，所述的梯形豁口包括两个斜坡段和一个水平段，所述的水平段处于两个斜坡段之间；所述的导向通孔与梯形豁口错位设置。

进一步的，所述的传动组件包括两个支承座、蜗杆和蜗轮；两个所述的支承座相对安装在连接法兰上，蜗杆的两端转动安装在两个支承座内，所述驱动电机的驱动端与蜗杆的一端通过联轴器进行固定连接，所述的蜗轮套在导向对接内壳的内环外，并通过螺钉固定安装在环状凸轮的底端，所述的蜗杆与蜗轮相啮合。

进一步的，每组所述的锁紧机构包括一根锁紧弹簧、楔形块、锁紧钢珠、连杆和第一凸轮滚子，所述的锁紧钢珠、楔形块和锁紧弹簧由上至下依次设置在第二腔体内，所述锁紧钢珠的外径大于第二滑动通孔的内径，所述锁紧弹簧的上端抵接在楔形块的下表面处，锁紧弹簧的下端抵接在装配定位壳的底端处；所述楔形块的斜坡面朝向导向对接内壳的外环上的第二滑动通孔处，所述连杆的一端固连在楔形块上，连杆的另一端穿过导向对接内壳上的第二滑动通孔并与第一凸轮滚子固定连接，所述第一凸轮滚子的外环面抵接在环状凸轮中外导向环上的梯形豁口的内壁处。

进一步的，所述的电气与流体接口机构包括电路板、电连接器、两个流体接口单元和流体管线；所述的电连接器安装在电路板上，两个所述的流体接口单元分别设置在电路板的两侧，流体管线的一端连接在其中一个流体接口单元上，流体管线的另一端连接在电控机构上；两个对接锁紧模块上的流体接口单元相对设置；

所述的电气与流体接口机构的底端沿圆周方向均匀设置若干个连接套，每个连接套内设置一个第二凸轮滚子，所述第二凸轮滚子的一端插装在连接套内，第二凸轮滚子的另一端穿过导向对接内壳上的第一滑动通孔并插装在环状凸轮的导向通孔中。

进一步的，所述的传感单元包括若干个磁缸、若干个第一电位计和一个第二电位计，若干个所述的第一电位计均匀安装在导向对接内壳的内环上，相邻的两个第一电位计之间安装一个磁缸；所述的第二电位计包括环状电阻体和旋转电刷，所述的环状电阻体安装在导向对接内壳的环形凹槽内并与环状凸轮的顶部相对应的位置处，所述的旋转电刷安装在环状凸轮的顶部，所述的环状电阻体和旋转电刷滑动连接。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明采用同构式的主、被动端，极大简化了模块化航天装备的在轨装配流程，同时增加了快换工具装配的通用性。

2、本发明采用蜗轮蜗杆结合的传动组件，在驱动电机停止运转的情况下，其具有自锁功能，无需动力的继续输入实现自锁，另外通过环状凸轮的连续转动，有序实现对接锁紧模块的锁紧和电气与流体接口机构的对接。

3、本发明包含电气与流体接口机构，可在机械对接的基础上实现电气、流体介质的传输，提高了对接装置的通用性，可同时实现航天装备之间的机械连接、电连接和流体传输。

4、本发明通过两组传感器组件分别用于两个对接锁紧模块位姿的测定与环状凸轮位置的测定，保证两个对接锁紧模块的精准对接和两个电气与流体接口机构的精准对接。

5、本发明的对接接口采用花瓣状的机械接口，首先通过外部空间装备的位置控制实现接近，而后空间装备切换至阻抗控制实现对接面紧密配合。阻抗控制是借助花瓣状机械接口实现主被动端对接力接近零的过程，不同于传统的轴孔配合，该过程中主被动端花瓣凸起、凹陷互为限制，即使较大的位姿调整也只会产生可被调节的对接力，而不会使主被动端完全脱离。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。

图1为本发明两个对接锁紧模块对接前的状态示意图。

图2为本发明两个对接锁紧模块对接后的状态示意图。

图3为本发明两个对接锁紧模块锁紧后的状态示意图。

图4为对接锁紧模块对接前的内部结构示意图一。

图5为支撑外壳与导向对接内壳之间的装配示意图。

图6为导向对接内壳的轴侧示意图。

图7为图4中L处的局部放大图。

图8为驱动机构的轴侧图。

图9为环状凸轮的轴侧图。

图10为蜗轮与环状凸轮连接的结构示意图。

图11为本发明两个对接锁紧模块锁紧后的内部结构示意图。

图12为本发明两个对接锁紧模块中电气与流体接口机构对接的结构示意图。

图13为对接锁紧模块对接前的内部结构示意图二。

图14为本发明两个对接锁紧模块中电气与流体接口机构对接的结构示意图二。

附图标记说明：A-支撑外壳；B-导向对接内壳；C-驱动机构；D-锁紧机构；E-电气与流体接口机构；F-电控机构；G-弹性支撑机构；H-连接法兰；J-传感单元；

1-第一腔体；2-第二腔体；3-环形内腔；4-固定外壳；5-装配定位壳；6-滑动外壳；7-内环；7-1-第一滑动通孔；7-2-安装槽；8-外环；8-1-第二滑动通孔；9-连接环；9-1-环形凹槽；10-凸起部；10-1-斜坡面；10-2-弧形槽；10-3-凹槽；10-4-锁紧凹槽；11-凹陷部；12-驱动电机；13-传动组件；13-1-支承座；13-2-蜗杆；13-3-蜗轮；14-环状凸轮；14-1-内导向环；14-1-1-导向通孔；14-2-外导向环；14-2-1-梯形豁口；14-2-2-倒梯形块；15-薄壁轴承；16-固定环；17-锁紧钢珠；18-连杆；19-第一凸轮滚子；20-支撑弹簧；21-电路板；22-电连接器；23-流体接口单元；24-流体管线；25-第二凸轮滚子；26-连接套；28-第一电位计；29-第二电位计；29-1-环状电阻体；29-2-旋转电刷；30-锁紧弹簧；31-楔形块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图12，本申请实施例提供一种主被动端同构式大容差对接装置，其包括两个对接锁紧模块，其中一个对接锁紧模块作为主动对接模块，并安装在空间机械臂上；另一个对接锁紧模块作为被动对接模块，并安装在快换工具上；所述的空间机械臂与快换工具通过两个对接锁紧模块实现对接锁紧或快速拆卸，完成操作工具的快速安装与更换。

参见图1至图4，每个所述的对接锁紧模块包括支撑外壳A、导向对接内壳B、驱动机构C、若干组锁紧机构D、电气与流体接口机构E、电控机构F、弹性支撑机构G、连接法兰H和若干个传感单元J；

参见图4和图5，所述的支撑外壳A与导向对接内壳B作为整个对接锁紧模块的支撑壳体，所述的支撑外壳A套在导向对接内壳B外，且二者之间由下至上轴向依次形成第一腔体1与第二腔体2，所述的支撑外壳A与导向对接内壳B之间可以轴向移动，且第一腔体1内的轴向高度可随着支撑外壳A与导向对接内壳B之间的移动而改变，所述的弹性支撑机构G安装在第一腔体1内，并用于第二腔体2的轴向支撑；所述的导向对接内壳B为环状结构，导向对接内壳B的底端固连在连接法兰H的上表面上，且导向对接内壳B与连接法兰H之间形成环形内腔3，所述的驱动机构C安装在环形内腔3内，并用于第二腔体2的轴向移动；若干组所述的锁紧机构D周向均匀安装在第二腔体2内，并用于两个所述的对接锁紧模块的锁紧；所述的电气与流体接口机构E安装在导向对接内壳B内，并可相对导向对接内壳B的内壁上下移动，所述的电控机构F安装在连接法兰H上，若干个所述的传感单元J安装在导向对接内壳B上。

参见图5，所述的支撑外壳A包括固定外壳4、装配定位壳5和滑动外壳6，所述的固定外壳4、装配定位壳5和滑动外壳6均为筒状结构，且固定外壳4的侧壁、装配定位壳5的侧壁和滑动外壳6的侧壁的截面形状均为L形；所述的固定外壳4、装配定位壳5和滑动外壳6由下至上轴向依次套在导向对接内壳B外，且所述的固定外壳4、装配定位壳5和滑动外壳6与导向对接内壳B之间分别形成封闭端和开口端；即固定外壳4的底端与导向对接内壳B的外壁之间形成封闭端，固定外壳4的顶端与导向对接内壳B的外壁之间形成开口端；装配定位壳5的底端与导向对接内壳B的外壁之间形成封闭端，装配定位壳5的顶端与导向对接内壳B的外壁之间形成开口端，滑动外壳6的顶端与导向对接内壳B的外壁之间形成封闭端，滑动外壳6的底端与导向对接内壳B的外壁之间形成开口端；所述固定外壳4的底端固连在连接法兰H的上表面上，装配定位壳5的底端从固定外壳4与导向对接内壳B之间的开口端插在固定外壳4与导向对接内壳B之间，且固定外壳4、装配定位壳5与导向对接内壳B之间形成第一腔体1，所述固定外壳4的顶端与装配定位壳5的外壁滑动设置；所述装配定位壳5的顶端从滑动外壳6与导向对接内壳B之间的开口端插在滑动外壳6与导向对接内壳B之间，且滑动外壳6、装配定位壳5与导向对接内壳B之间形成第二腔体2，所述滑动外壳6的底端与装配定位壳5的顶端螺纹连接，滑动外壳6的顶端与导向对接内壳B的外壁滑动设置。

参见图5，所述的导向对接内壳B包括一体设置的内环7、外环8和连接环9，所述的外环8同轴套在内环7外，连接环9设置在内环7的顶部与外环8的顶部之间，所述的内环7、外环8和连接环9之间形成环形凹槽，导向对接内壳B的环形凹槽与连接法兰H之间形成环形内腔3。

参见图6，所述的连接环9的顶端为花瓣状结构，其包括若干个沿圆周方向均匀设置的凸起部10，相邻的两个凸起部10之间形成一个凹陷部11，所述凸起部10的形状与凹陷部11的形状相匹配，当两个所述的对接锁紧模块相向运动时，在凸起部10边缘的导向下，两个对接锁紧模块的凸起部10分别插到对方的凹陷部11内，并紧密贴合；所述连接环9的底端开有环形凹槽9-1。

进一步的，每个所述的凸起部10为类四棱锥形，凸起部10的外侧壁为圆弧面，凸起部10的其余三个面为斜坡面10-1，将凸起部10设置成此形状，使得两个对接锁紧模块能够在大容差条件下实现快速精准对接。

进一步的，每个所述的凸起部10的外侧壁上靠近尖端的位置开有一个弧形槽10-2，所述弧形槽10-2的开槽方向与圆周方向相同；每个所述的凸起部10的外侧壁上靠近根部的位置沿圆周方向开有两个凹槽10-3，两个所述的凹槽10-3分别贯穿于凸起部10两侧的斜坡面10-1；在两个对接锁紧模块对接完成的情况下，其中一个对接锁紧模块上的凸起部10上的弧形槽10-2与另一个对接锁紧模块上的相邻的两个凸起部10上的两个凹槽10-3整体形成一个锁紧凹槽10-4，所述的锁紧凹槽10-4与锁紧机构D相配合实现两个对接锁紧模块的锁紧。

在本实施例中，当两个对接锁紧模块对接的过程中，类四棱锥形的凸起部10具有导向作用，可以实现两个对接锁紧模块的快速对接，同时两个对接锁紧模块在轴向上和径向上不再产生位移，并形成完整的锁紧凹槽10-4。

参见图6，所述导向对接内壳B的内环7上沿圆周方向均匀开有若干个第一滑动通孔7-1，导向对接内壳B的外环8上沿圆周方向均匀开有若干个第二滑动通孔8-1，所述的第一滑动通孔7-1与第二滑动通孔8-1的开孔方向与导向对接内壳B的轴线方向相同；所述的第一滑动通孔7-1与第二滑动通孔8-1错位设置，且第二滑动通孔8-1对应导向对接内壳B的凹陷部11处设置；所述第二滑动通孔8-1的数量与锁紧机构D的数量相同。

所述导向对接内壳B的内环7的顶端沿圆周方向均匀开有若干个安装槽7-2。

参见图8，所述的驱动机构C包括驱动电机12、传动组件13和环状凸轮14；所述的环状凸轮14通过两个轴向设置的薄壁轴承15同轴套装在导向对接内壳B的内环7外，并通过一个固定环16进行轴向定位，即固定环16螺接在导向对接内壳B的内环7的下方，所述的环状凸轮14的内侧壁上轴向开有两个轴肩，处于上方的轴肩抵接在处于上方的薄壁轴承15的外圈上，处于下方的轴肩抵接在固定环16上；所述的驱动电机12安装在连接法兰H上，驱动电机12通过传动组件13带动环状凸轮14转动，所述的环状凸轮14作为驱动机构C的动力输出端用于锁紧机构D的轴向移动和电气与流体接口机构E的轴向移动。

参见图8，所述的传动组件13包括两个支承座13-1、蜗杆13-2和蜗轮13-3；两个所述的支承座13-1相对安装在连接法兰H上，蜗杆13-2的两端转动安装在两个支承座13-1内，所述驱动电机12的驱动端与蜗杆13-2的一端通过联轴器进行固定连接，所述的蜗轮13-3套在导向对接内壳B的内环7外，并通过螺钉固定安装在环状凸轮14的底端，所述的蜗杆13-2与蜗轮13-3相啮合。

在本实施例中，当所述的驱动电机12带动蜗杆13-2转动时，蜗杆13-2带动蜗轮13-3转动，蜗轮13-3带动环状凸轮14轴向转动，所述的驱动电机12通过蜗杆13-2与蜗轮13-3改变了传动方向，即由水平方向转动的自由度变为竖直方向转动的自由度。同时蜗杆与蜗轮结合的方式具有自锁功能，在无外力输入的情况下，可以实现锁紧机构的自锁。

所述的环状凸轮14包括一体设置的内导向环14-1和外导向环14-2，所述的外导向环14-2同轴套在内导向环14-1外，内导向环14-1和外导向环14-2的顶端进行连接；所述的内导向环14-1上沿着圆周方向开有若干个导向通孔14-1-1，每个导向通孔14-1-1的开孔方向与内导向环14-1的圆周方向一致，且每个导向通孔14-1-1为弯折形孔，即每个导向通孔14-1-1包括两段水平段和一段倾斜驱动段，两段水平段通过倾斜驱动段进行连通；所述内导向环14-1的顶端还开有一个定位槽14-1-2；所述外导向环14-2的底端沿着圆周方向开有若干个梯形豁口14-2-1，相邻的两个梯形豁口14-2-1之间形成一个倒梯形块14-2-2，所述的梯形豁口14-2-1包括两个斜坡段和一个水平段，所述的水平段处于两个斜坡段之间；所述梯形豁口14-2-1的内壁作为锁紧机构D移动的导向面；所述的导向通孔14-1-1与梯形豁口14-2-1错位设置。

在本实施例中，具有两段水平段和一段倾斜驱动段的导向通孔14-1-1作为一个驱动端，其中倾斜驱动段具有驱动作用，水平段作为一个过渡段，不具有驱动作用。梯形豁口14-2-1作为一个驱动端，梯形豁口14-2-1的斜坡段作为驱动段，梯形豁口14-2-1的水平段作为一个过渡段，不具有驱动作用。

参见图7，每组所述的锁紧机构D包括一根锁紧弹簧30、楔形块31、锁紧钢珠17、连杆18和第一凸轮滚子19，所述的锁紧钢珠17、楔形块31和锁紧弹簧30由上至下依次设置在第二腔体2内，所述锁紧钢珠17的外径大于第二滑动通孔8-1的内径，所述锁紧弹簧30的上端抵接在楔形块31的下表面处，锁紧弹簧30的下端抵接在装配定位壳5的底端处；所述楔形块31的斜坡面朝向导向对接内壳B的外环8上的第二滑动通孔8-1处，所述连杆18的一端固连在楔形块31上，连杆18的另一端穿过导向对接内壳B上的第二滑动通孔8-1并与第一凸轮滚子19固定连接，所述第一凸轮滚子19的外环面抵接在环状凸轮14中外导向环14-2上的梯形豁口14-2-1的内壁处。

在本实施例中，所述的连杆18优选为销钉。

在本实施例中，由于锁紧弹簧30、楔形块31和锁紧钢珠17处于第二腔体2内，并整体处于一个挤压的状态，所以可以将锁紧弹簧30、楔形块31、锁紧钢珠17、连杆18、第一凸轮滚子19、装配定位壳5和滑动外壳6看做一个整体，当驱动机构C带动环状凸轮14转动时，环状凸轮14上梯形豁口14-2-1的内壁对第一凸轮滚子19产生挤压或释放挤压，那么也就是说在连杆18的一端受到挤压向下移动或者释放挤压向上移动的情况下，连杆18的另一端在重力与弹性支撑机构G的作用下也会随之向下移动或者向上移动，连杆18带动装配定位壳5和滑动外壳6向下移动或者向上移动，弹性支撑机构G蓄能或者释放弹性势能；当弹性支撑机构G处于完全张开状态时，装配定位壳5和滑动外壳6向上移动到导向对接内壳B的锁紧凹槽10-4处，锁紧钢珠17不再受第二腔体2空间的限制，并在锁紧弹簧30和楔形块31的作用下部分挤压出第二腔体2，并插在锁紧凹槽10-4内，此时两个对接锁紧模块在锁紧钢珠17的作用下处于锁紧状态。

参见图11和图12，所述的弹性支撑机构G包括若干个支撑弹簧20，若干个所述的支撑弹簧20沿周向均匀设置在支撑外壳A与导向对接内壳B所形成的第一腔体1内，支撑弹簧20的上端抵接在装配定位壳5的底端，支撑弹簧20的下端抵接在导向对接内壳B的底端。

参见图11，所述的电气与流体接口机构E包括电路板21、电连接器22、两个流体接口单元23和流体管线24；所述的电连接器22安装在电路板21上，两个所述的流体接口单元23分别设置在电路板21的两侧，流体接口单元23采用金属3D打印加工；流体管线24的一端连接在其中一个流体接口单元23上，流体管线24的另一端连接在电控机构F上；两个对接锁紧模块上的流体接口单元23相对设置。

参见图11，所述的电气与流体接口机构E的底端沿圆周方向均匀设置若干个连接套26，每个连接套26内设置一个第二凸轮滚子25，所述第二凸轮滚子25的一端插装在连接套26内，第二凸轮滚子25的另一端穿过导向对接内壳B上的第一滑动通孔7-1并插装在环状凸轮14的导向通孔14-1-1中。

在本实施例中，当环状凸轮14转动时，环状凸轮14上的导向通孔14-1-1对第二凸轮滚子25具有导向作用，使其可以沿着导向对接内壳B上的第一滑动通孔7-1上下移动，从而通过连接套26带动电气与流体接口机构E沿着导向对接内壳B的轴线方向上下移动。

在本实施例中，由于导向通孔14-1-1存在两段水平段和一段斜坡段，当第二凸轮滚子25处于导向通孔14-1-1的水平段时，第二凸轮滚子25不会随着环状凸轮14的转动而轴向上下移动，当第二凸轮滚子25处于导向通孔14-1-1的斜坡段时，第二凸轮滚子25会随着环状凸轮14的转动而轴向上下移动；本实施例采用此种设置方式，主要是为了使得第一凸轮滚子19与第二凸轮滚子25在进行轴向移动时，产生时间差，即环状凸轮14的梯形豁口14-2-1的内壁使得第一凸轮滚子19先进行轴向上下移动，并带动锁紧机构D上下移动，实现两个对接锁紧模块的锁紧；然后环状凸轮14的导向通孔14-1-1再使得第二凸轮滚子25进行轴向移动，使得两个电气与流体接口机构E进行对接。

参见图4，所述的传感单元J包括若干个磁缸、若干个第一电位计28和一个第二电位计29，所述导向对接内壳B的内环7上的每个安装槽7-2内安装一个第一电位计28，相邻的两个第一电位计28之间安装一个磁缸；所述的第二电位计29包括环状电阻体29-1和旋转电刷29-2，所述的环状电阻体29-1安装在导向对接内壳B的连接环9的环形凹槽9-1内，所述的旋转电刷29-2安装在环状凸轮14上内导向环14-1的定位槽14-1-2中，所述的环状电阻体29-1和旋转电刷29-2滑动连接。

在本实施例中，在两个对接锁紧模块对接过程中，通过两个对接锁紧模块中的磁缸与第一电位计28的对接产生电磁感应，基于电磁感应原理可以测量两个对接锁紧模块的相对位姿；所述的环状电阻体29-1和旋转电刷29-2用于测量环状凸轮14的位置。

以下对本发明的工作过程做进一步的说明，以进一步展示本发明的工作原理和优点：

1、对接锁紧过程：

参见图4，为对接锁紧模块在对接前的状态示意图，第二凸轮滚子25处于导向通孔14-1-1最下方的水平段内；第一凸轮滚子19的外圆面抵接在环状凸轮14上倒梯形块14-2-2的最底端，并对第一凸轮滚子19起到一个挤压的作用，第一凸轮滚子19在轴向上的位置处于最低的位置，第一凸轮滚子19通过连杆18使得装配定位壳5和滑动外壳6处于轴向上的最低的位置锁紧弹簧30和支撑弹簧20均处于压缩状态。

第一步，当两个对接锁紧模块在外部空间装备的带动作用下相互接近时，通过磁缸和第一电位计28实时检测计算两个对接锁紧模块之间的相对位姿，当两个对接锁紧模块接近至预设位姿时，外部空间装备对接切换至阻抗对接模式，即通过导向对接内壳B上的花瓣状凸起部10逐步实现对接，直至二者相对位姿误差接近于零；此时两个对接锁紧模块在轴向上和径向上不再产生位移，并形成完整的锁紧凹槽10-4。

第二步，参见图11，所述的驱动电机12驱动蜗杆13-2转动，蜗杆13-2驱动蜗轮13-3顺时针转动，蜗轮13-3带动环状凸轮14顺时针转动，当环状凸轮14转动时，第一凸轮滚子19与环状凸轮14的倒梯形块14-2-2的边缘产生相对的运动，直至第一凸轮滚子19移动到梯形豁口14-2-1处，梯形豁口14-2-1的斜坡段对第一凸轮滚子19产生的挤压力逐渐减小，第一凸轮滚子19在支撑弹簧20的作用下通过连杆18带动装配定位壳5和滑动外壳6轴向向上移动，此时处于第二腔体2内的锁紧弹簧30依然处于压缩状态，直至滑动外壳6移动到导向对接内壳B的凸起部10处，此时第二腔体2内的锁紧钢珠17不再受第二腔体2内空间的限制，并在锁紧弹簧30和楔形块31的作用下部分挤压出第二腔体2，并同时插到锁紧凹槽10-4内，楔形块31在锁紧弹簧30的弹力作用下对锁紧钢珠17产生挤压，保证了锁紧钢珠17的轴向位置；此时实现了两个对接锁紧模块的锁紧，且此时第一凸轮滚子19处于梯形豁口14-2-1的水平段处。

第三步，参见图12，所述的驱动电机12继续驱动环状凸轮14顺时针转动，由于第一凸轮滚子19处于梯形豁口14-2-1的水平段处，所以环状凸轮14的梯形豁口14-2-1不会再对第一凸轮滚子19产生挤压，即驱动电机12的继续驱动不会对锁紧机构D产生影响；第二凸轮滚子25在导向通孔14-1-1中由下方的水平段移动至斜坡段上，再由斜坡段移动到上方的水平段上，导向通孔14-1-1的斜坡段对第二凸轮滚子25产生导向作用，使得第二凸轮滚子25沿着第一滑动通孔7-1的轴向方向向上移动，第二凸轮滚子25通过连接套26带动电气与流体接口机构E向上移动，实现两个对接锁紧模块中的电气与流体接口机构E的对接。

2、解锁拆卸过程：

第一步，所述的驱动电机12反向驱动环状凸轮14，第二凸轮滚子25在导向通孔14-1-1中由上方的水平段移动至斜坡段上，导向通孔14-1-1的斜坡段对第二凸轮滚子25产生导向作用，使得第二凸轮滚子25沿着第一滑动通孔7-1的轴向方向向下移动，第二凸轮滚子25通过连接套26带动电气与流体接口机构E向下移动，实现两个对接锁紧模块中的电气与流体接口机构E的分开，此时第二凸轮滚子25处于导向通孔14-1-1下方的水平段上。

第二步，所述的驱动电机12继续反向驱动环状凸轮14，第一凸轮滚子19从环状凸轮14的倒梯形块14-2-2的边缘处移动到梯形豁口14-2-1的斜坡段处，梯形豁口14-2-1的斜坡段对第一凸轮滚子19产生挤压作用，第一凸轮滚子19轴向向下移动，并通过连杆18带动装配定位壳5轴向向下移动，锁紧弹簧30被压缩，楔形块31不再对锁紧钢珠17产生挤压作用，所述的锁紧钢珠17在重力作用下回到第二腔体2内，并不再对两个对接锁紧模块产生锁紧作用。

第三步，所述的驱动电机12继续反向驱动环状凸轮14，使得装配定位壳5回缩到固定外壳4内，两个对接锁紧模块通过外部空间装备的带动作用下彼此远离。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：它包括两个对接锁紧模块，其中一个对接锁紧模块作为主动对接模块，并安装在空间机械臂上；另一个对接锁紧模块作为被动对接模块，并安装在快换工具上；所述的空间机械臂与快换工具通过两个对接锁紧模块实现对接锁紧或快速拆卸，完成操作工具的快速安装与更换；

每个所述的对接锁紧模块包括支撑外壳(A)、导向对接内壳(B)、驱动机构(C)、若干组锁紧机构(D)、电气与流体接口机构(E)、电控机构(F)、弹性支撑机构(G)、连接法兰(H)和若干个传感单元(J)；所述的支撑外壳(A)套在导向对接内壳(B)外，且二者之间由下至上轴向依次形成第一腔体(1)与第二腔体(2)，所述的支撑外壳(A)与导向对接内壳(B)之间可以轴向移动，且第一腔体(1)内的轴向高度可随着支撑外壳(A)与导向对接内壳(B)之间的移动而改变，所述的弹性支撑机构(G)安装在第一腔体(1)内，并用于第二腔体(2)的轴向支撑；所述的导向对接内壳(B)为环状结构，导向对接内壳(B)的底端固连在连接法兰(H)的上表面上，且导向对接内壳(B)与连接法兰(H)之间形成环形内腔(3)，所述的驱动机构(C)安装在环形内腔(3)内，并用于第二腔体(2)的轴向移动；若干组所述的锁紧机构(D)周向均匀安装在第二腔体(2)内，并用于两个所述的对接锁紧模块的锁紧；所述的电气与流体接口机构(E)安装在导向对接内壳(B)内，并可相对导向对接内壳(B)的内壁上下移动，所述的电控机构(F)安装在连接法兰(H)上，若干个所述的传感单元(J)安装在导向对接内壳(B)上。

2.根据权利要求1所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：所述的支撑外壳(A)包括固定外壳(4)、装配定位壳(5)和滑动外壳(6)，所述的固定外壳(4)、装配定位壳(5)和滑动外壳(6)均为筒状结构，且由下至上轴向依次套在导向对接内壳(B)外，所述的固定外壳(4)、装配定位壳(5)和滑动外壳(6)与导向对接内壳(B)之间分别形成封闭端和开口端；所述固定外壳(4)的底端固连在连接法兰(H)的上表面上，装配定位壳(5)的底端从固定外壳(4)与导向对接内壳(B)之间的开口端插在固定外壳(4)与导向对接内壳(B)之间，且固定外壳(4)、装配定位壳(5)与导向对接内壳(B)之间形成第一腔体(1)，所述固定外壳(4)的顶端与装配定位壳(5)的外壁滑动设置；所述装配定位壳(5)的顶端从滑动外壳(6)与导向对接内壳(B)之间的开口端插在滑动外壳(6)与导向对接内壳(B)之间，且滑动外壳(6)、装配定位壳(5)与导向对接内壳(B)之间形成第二腔体(2)，所述滑动外壳(6)的底端与装配定位壳(5)的顶端螺纹连接，滑动外壳(6)的顶端与导向对接内壳(B)的外壁滑动设置。

3.根据权利要求2所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：所述的导向对接内壳(B)包括一体设置的内环(7)、外环(8)和连接环(9)，所述的外环(8)同轴套在内环(7)外，连接环(9)设置在内环(7)的顶部与外环(8)的顶部之间，所述的内环(7)、外环(8)和连接环(9)之间形成环形凹槽，导向对接内壳(B)的环形凹槽与连接法兰(H)之间形成环形内腔(3)。

4.根据权利要求3所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：所述连接环(9)的顶端为花瓣状结构，其包括若干个沿圆周方向均匀设置的凸起部(10)，相邻的两个凸起部(10)之间形成一个凹陷部(11)，所述凸起部(10)的形状与凹陷部(11)的形状相匹配；每个所述的凸起部(10)的外侧壁上靠近尖端的位置开有一个弧形槽(10-2)；每个所述的凸起部(10)的外侧壁上靠近根部的位置沿圆周方向开有两个凹槽(10-3)，两个所述的凹槽(10-3)分别贯穿于凸起部(10)两侧的斜坡面(10-1)；在两个对接锁紧模块对接完成的情况下，其中一个对接锁紧模块上的凸起部(10)上的弧形槽(10-2)与另一个对接锁紧模块上的相邻的两个凸起部(10)上的两个凹槽(10-3)整体形成一个锁紧凹槽(10-4)。

5.根据权利要求4所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：所述导向对接内壳(B)的内环(7)上沿圆周方向均匀开有若干个第一滑动通孔(7-1)，导向对接内壳(B)的外环(8)上沿圆周方向均匀开有若干个第二滑动通孔(8-1)，所述的第一滑动通孔(7-1)与第二滑动通孔(8-1)的开孔方向与导向对接内壳(B)的轴线方向相同；所述的第一滑动通孔(7-1)与第二滑动通孔(8-1)错位设置。

6.根据权利要求5所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：所述的驱动机构(C)包括驱动电机(12)、传动组件(13)和环状凸轮(14)；所述的环状凸轮(14)套装在导向对接内壳(B)的内环(7)外，并可相对于内环(7)转动，所述的驱动电机(12)安装在连接法兰(H)上，驱动电机(12)通过传动组件(13)带动环状凸轮(14)转动；所述的环状凸轮(14)包括一体设置的内导向环(14-1)和外导向环(14-2)，所述的外导向环(14-2)同轴套在内导向环(14-1)外；所述的内导向环(14-1)上沿着圆周方向开有若干个导向通孔(14-1-1)，每个导向通孔(14-1-1)的开孔方向与内导向环(14-1)的圆周方向一致，且每个导向通孔(14-1-1)包括两段水平段和一段倾斜驱动段，两段水平段通过倾斜驱动段进行连通；所述外导向环(14-2)的底端沿着圆周方向开有若干个梯形豁口(14-2-1)，相邻的两个梯形豁口(14-2-1)之间形成一个倒梯形块(14-2-2)，所述的梯形豁口(14-2-1)包括两个斜坡段和一个水平段，所述的水平段处于两个斜坡段之间；所述的导向通孔(14-1-1)与梯形豁口(14-2-1)错位设置。

7.根据权利要求6所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：所述的传动组件(13)包括两个支承座(13-1)、蜗杆(13-2)和蜗轮(13-3)；两个所述的支承座(13-1)相对安装在连接法兰(H)上，蜗杆(13-2)的两端转动安装在两个支承座(13-1)内，所述驱动电机(12)的驱动端与蜗杆(13-2)的一端通过联轴器进行固定连接，所述的蜗轮(13-3)套在导向对接内壳(B)的内环(7)外，并通过螺钉固定安装在环状凸轮(14)的底端，所述的蜗杆(13-2)与蜗轮(13-3)相啮合。

8.根据权利要求7所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：每组所述的锁紧机构(D)包括一根锁紧弹簧(30)、楔形块(31)、锁紧钢珠(17)、连杆(18)和第一凸轮滚子(19)，所述的锁紧钢珠(17)、楔形块(31)和锁紧弹簧(30)由上至下依次设置在第二腔体(2)内，所述锁紧钢珠(17)的外径大于第二滑动通孔(8-1)的内径，所述锁紧弹簧(30)的上端抵接在楔形块(31)的下表面处，锁紧弹簧(30)的下端抵接在装配定位壳(5)的底端处；所述楔形块(31)的斜坡面朝向导向对接内壳(B)的外环(8)上的第二滑动通孔(8-1)处，所述连杆(18)的一端固连在楔形块(31)上，连杆(18)的另一端穿过导向对接内壳(B)上的第二滑动通孔(8-1)并与第一凸轮滚子(19)固定连接，所述第一凸轮滚子(19)的外环面抵接在环状凸轮(14)中外导向环(14-2)上的梯形豁口(14-2-1)的内壁处。

9.根据权利要求8所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：所述的电气与流体接口机构(E)包括电路板(21)、电连接器(22)、两个流体接口单元(23)和流体管线(24)；所述的电连接器(22)安装在电路板(21)上，两个所述的流体接口单元(23)分别设置在电路板(21)的两侧，流体管线(24)的一端连接在其中一个流体接口单元(23)上，流体管线(24)的另一端连接在电控机构(F)上；两个对接锁紧模块上的流体接口单元(23)相对设置；

所述的电气与流体接口机构(E)的底端沿圆周方向均匀设置若干个连接套(26)，每个连接套(26)内设置一个第二凸轮滚子(25)，所述第二凸轮滚子(25)的一端插装在连接套(26)内，第二凸轮滚子(25)的另一端穿过导向对接内壳(B)上的第一滑动通孔(7-1)并插装在环状凸轮(14)的导向通孔(14-1-1)中。

10.根据权利要求9所述的一种主被动端同构式大容差对接装置，其特征在于：所述的传感单元(J)包括若干个磁缸、若干个第一电位计(28)和一个第二电位计(29)，若干个所述的第一电位计(28)均匀安装在导向对接内壳(B)的内环(7)上，相邻的两个第一电位计(28)之间安装一个磁缸；所述的第二电位计(29)包括环状电阻体(29-1)和旋转电刷(29-2)，所述的环状电阻体(29-1)安装在导向对接内壳(B)的环形凹槽内并与环状凸轮(14)的顶部相对应的位置处，所述的旋转电刷(29-2)安装在环状凸轮(14)的顶部，所述的环状电阻体(29-1)和旋转电刷(29-2)滑动连接。

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