CN116742410A - 一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口 - Google Patents
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Abstract
一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，涉及一种机电快换接口。对接基体对接端边缘设置三个锥形插头和三个锥形插槽，对接基体对接端面中间设置三个安装孔和三根锁紧销，安装孔内固定帽杯，帽杯内底部通过复位弹簧支撑球笼，球笼顶部为中空的锥段并安装三个锁定钢球，球帽固定在帽杯内顶部，设置有与球笼顶部锥度相同的内锥面并罩设支撑在三个锁定钢球外侧，球帽与球笼均设置供锁紧销插装的中心孔，安装孔内侧壁固定线圈，动力接口柱销阵列和信号接口触点阵列分别集成在对接基体对接端面中心和边缘。结构简单无需配置锁紧电机及相应传动系统，锁紧和解锁快捷可靠、连接牢固、容差大、精度高、即插即用、无性别。
Description
技术领域
本发明涉及一种机电快换接口，尤其是一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，属于大型空间设施在轨装配技术领域。
背景技术
空间在轨装配技术距今已有60余年的发展历史，传统航天员手动装配的方式有一定的局限性，只能胜任任务量小、时间短、环境较为简单的装配任务，对于结构复杂、体积巨大、环境恶劣、精度要求高的空间装配则无法满足任务要求。因此，未来空间在轨装配将从有人装配向无人装配发展、从非自主向自主方向发展、从小型结构向大型结构装配方向发展、从零件拼装式向在轨生产与建造方向发展。而随着增材制造、空间机器人及人工智能等技术的不断发展，空间在轨装配技术将发挥出更大的潜力，并应用于更多的领域。
无人在轨装配因经济性高、风险低、能够满足大型空间平台的建设等优点受到了越来越多的关注，其主要依托于空间模块化机械臂进行任务的执行。空间模块化机械臂的模块单元结构相对简单，可扩展性强，不仅可以通过对自身模块单元的重构实现整体构型的改变从而适应具体应用环境，还能通过更换故障或失效单元保障任务的继续执行，具有高度的系统可靠性和鲁棒性。而在空间模块化机械臂的协助下，安装有标准化接口的大型空间设施模块可快速完成在轨装配，化整为零的模块化设计大大降低了在轨装配的任务难度，因此，即插即用，规格统一的标准化接口技术是空间模块化机械臂及大型空间设施模块的关键技术之一。
但目前空间模块化机械臂及大型空间设施模块接口的标准化设计较少，现有的空间设施模块化接口大多需要锁紧电机及相应传动系统实现锁紧动作，且一对接口的对接与锁紧过程是分开进行的，这使得相应模块化系统在设计阶段需额外为锁紧电机配备相应驱动器。此外，在编写控制程序时还需专门针对锁紧电机的驱动器编写相应驱动控制程序，这也大大增加了系统设计难度。综上而言，面向未来空间模块化机械臂及大型空间设施模块的快速组装，亟需一种结构简单高效的标准化接口设计，对于空间在轨装配技术的发展具有重要意义。
发明内容
为满足空间模块化机械臂及大型空间设施模块的快速组装需求，本发明提供一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，它结构简单无需配置锁紧电机及相应传动系统，具有锁紧和解锁快捷可靠、连接牢固、容差大、精度高、即插即用、无性别的优点。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，由两个无性别对接单体装配组成，所述无性别对接单体包括对接机构、锁紧机构及电气结构；
所述对接机构的对接基体为安装端封闭的环状，所述对接基体对接端边缘等角度交替排布设置相互配合的三个锥形插头和三个锥形插槽；
所述锁紧机构包括球帽、锁定钢球、球笼、复位弹簧、帽杯及锁紧销，对接基体对接端面中间位置以其中心为轴等角度排布加工三个安装孔，所述安装孔内底部固定设置帽杯，所述帽杯内底部通过所述复位弹簧竖向支撑设置球笼，所述球笼顶部为中空的锥段并等角度排布开设三个卡槽，所述三个卡槽内放置三个所述锁定钢球，所述球帽固定设置在帽杯内顶部，球帽设置有与球笼顶部锥度相同的内锥面并罩设支撑在三个锁定钢球外侧，且球帽与球笼均贯通设置供锁紧销插装的中心孔，对接基体对接端面中间位置以其中心为轴等角度排布固定三根锁紧销，所述三根锁紧销与三个安装孔错位排布并位于同一圆上，锁紧销邻近端部位置加工环槽能够卡定在三个锁定钢球之间；
所述电气结构包括线圈、动力接口柱销阵列及信号接口触点阵列，三个安装孔内侧壁均固定线圈，在所述线圈通电状态下产生磁场能够吸附拉动对应的三个锁定钢球，所述动力接口柱销阵列集成设置在对接基体对接端面中心位置，所述信号接口触点阵列集成设置在对接基体对接端面边缘位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：大型空间设施模块可通过标准化接口的连接在轨进行大型空间平台的建设，空间模块化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装配任务需求，而本发明提出的标准化接口，锁紧机构通过锁紧销与锁定钢球配合实现接口的锁定，具有自增强效果，连接牢固，解锁过程通过线圈产生磁力拉动锁定钢球与锁紧销分开实现接口的解锁，无需配置锁紧电机及相应传动系统，结构更加简单，锁紧和解锁快捷可靠，有助于降低空间模块化机械臂及大型空间设施模块的系统设计难度，整体采用无性别接口，对接与锁紧同步进行，即插即用，对接机构具有非常大的容差能力，在对接操作误差较大的情况下仍能够实现准确连接，精度更高，具有良好的应用价值，对于空间在轨装配技术的发展具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的爆炸图；
图2是本发明在锁紧状态下的轴测图；
图3是本发明在锁紧状态下的主视图；
图4是本发明在锁紧状态下的剖视图；
图5是本发明的无性别对接单体的轴测图；
图6是本发明的无性别对接单体的主视图；
图7是本发明的无性别对接单体的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图7所示，一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，整体爆炸结构参照图1所示，由两个无性别对接单体装配组成，所述无性别对接单体包括对接机构、锁紧机构及电气结构。
结合图1～图3所示，所述对接机构的对接基体11为安装端封闭的环状，所述对接基体11对接端边缘等角度交替排布设置相互配合的三个锥形插头12和三个锥形插槽13，两个无性别对接单体装配过程中各自的所述三个锥形插头12分别与对方的所述三个锥形插槽13配合，使得两个对接基体11在绕x轴、y轴、z轴旋转上具有较大的角度容差能力。进一步的，在对接基体11的三个锥形插头12尖端内侧加工设置斜面14，所述斜面14的设置能够使得两个对接基体11在水平方向上具有较大的位移容差能力。
结合图5、7所示，对接基体11对接端面中间位置以其中心为轴等角度排布加工三个安装孔用于安装除锁紧销26以外的锁紧机构以及线圈31，所述三个安装孔间隔120°分布，同时对接基体11对接端面中间位置以其中心为轴等角度排布加工三个销孔用于安装锁紧销26，所述三个销孔也间隔120°分布，三个安装孔与三个销孔之间错位排布并位于同一圆上，每相邻的安装孔与销孔之间间隔60°。
结合图4、5所示，所述锁紧机构包括球帽21、锁定钢球22、球笼23、复位弹簧24、帽杯25及锁紧销26。每个安装孔内底部固定设置帽杯25，所述帽杯25内底部通过所述复位弹簧24竖向支撑设置球笼23，帽杯25底部设置有一平面，该平面直径大于复位弹簧24外径，复位弹簧24始终位于球笼23与帽杯25之间处于压缩状态。所述球笼23顶部为中空的锥段并等角度排布开设三个卡槽，所述三个卡槽内放置三个所述锁定钢球22，卡槽的尺寸能够使锁定钢球22轻松通过，球笼23底部为中空的圆柱段并与顶部的锥段之间通过中间板分隔开，中间板的直径大于复位弹簧24外径，中间板上表面是对三个锁定钢球22的施力面，中间板下表面支撑复位弹簧24。所述球帽21固定设置在帽杯25内顶部，为便于组装，可在帽杯25内壁中间位置设置环形凹槽，在球帽21底部外扩设置帽檐并与所述环形凹槽卡接固定，并且球帽21设置有与球笼23顶部锥度相同的内锥面并罩设支撑在三个锁定钢球22外侧，将锁定钢球22、球笼23、复位弹簧24包覆在球帽21与帽杯25之间，三个锁定钢球22与球帽21内锥面一直处于相切状态，且球帽21与球笼23均贯通设置供锁紧销26插装的中心孔，锁定钢球22无法穿过所述中心孔。三个销孔处固定三根锁紧销26，为便于组装，所述三根锁紧销26根部和销孔内壁分别加工螺纹，使锁紧销26与对接基体11采用螺纹连接固定，锁紧销26邻近端部位置加工环槽能够卡定在三个锁定钢球22之间。进一步的，为便于锁紧销26经球帽21与球笼23的中心孔伸入三个锁定钢球22之间的间隙，可在锁紧销26端部加工设置锥头。
结合图5、7所示，所述电气结构包括线圈31、动力接口柱销阵列32及信号接口触点阵列33。三个安装孔内侧壁均固定线圈31，在所述线圈31通电状态下产生磁场能够吸附拉动对应的三个锁定钢球22，所述动力接口柱销阵列32集成设置在对接基体11对接端面中心位置，所述信号接口触点阵列33集成设置在对接基体11对接端面边缘位置，两个无性别对接单体在对接装配完成后各自的动力接口柱销阵列32小过盈量配合用以通电，而各自的信号接口触点阵列33弹性接触用以传递控制信号、传感器信号等。
此外，在对接基体11内部还集成设置蓄能模块，所述蓄能模块包括电池、电容、升压电路及开关电路，在两个无性别对接单体装配阶段通过动力接口柱销阵列32的对接能够为蓄能模块充电蓄能，在两个无性别对接单体解锁阶段蓄能模块为线圈31提供电能，线圈31产生磁场能够拉动对应的三个锁定钢球22背离球帽21运动扩大间隙，实现锁紧销26的脱离解锁。
除了应用于模块化机械臂及大型空间设施模块的快速组装，本发明机电接口还可应用在卫星的模块化设计，卫星模块通过该无性别的机电接口连接，当卫星模块发生故障时，可以通过机电接口处更换故障的卫星模块，便于维修，有助于降低成本。
本发明机电接口的动作过程如下：
对接前，球笼23在复位弹簧24的弹力作用下处于初始位置，此时球笼23中的三个锁定钢球22因球帽21内锥面作用向中间靠拢并两两相切；
对接时，以空间模块化机械臂为例，机械臂带动两个无性别对接单体接近，由于机械臂操作存在一定误差，在对接到一定程度时，无法保证两个对接基体11按照期望位姿对准，这时依靠相互配合的锥形插头12和锥形插槽13以及锥形插头12尖端的斜面14具有较大的容差能力，即可对实际位姿进行校正，确保相对位置准确，随着两个对接基体11的靠近，各自的三根锁紧销26分别穿过对方球帽21和球笼23的中心孔，每根锁紧销26端部的锥头穿过相应靠在一起、两两相切的三个锁定钢球22之间的间隙，随着锁紧销26的深入，靠在一起的三个锁定钢球22推动球笼23沿轴向远离球帽21，同时三个锁定钢球22径向分开，在此过程中复位弹簧24持续受压，长度变短，积蓄弹性势能，直到锁紧销26的环槽卡定在三个锁定钢球22之间，同时两个无性别对接单体各自的对接基体11、动力接口柱销阵列32和信号接口触点阵列33完全对接，实现机电接口的机械、电气的连接与锁紧；
锁紧后，通过动力接口柱销阵列32向远离机械臂一侧的机电接口供电，同时蓄能模块充电蓄能，电池的电能进入升压电路，升压电路将电池的低压电流变为高压交流电，然后整流得到高压直流电，送入电容被储存起来；
锁紧时，无性别对接单体之间有分离趋势，则锁紧销26会将与之接触的三个锁定钢球22向外拉，但因球帽21内锥面是向内收紧的，故分离力越大锁紧机构产生的锁紧力也越大，实现机械设计学中的自补偿原理中的自增强，这使得该机电接口锁紧牢固可靠；
解锁时，解锁指令通过信号接口触点阵列33传递给远离机械臂一侧的机电接口，两个机电接口的蓄能模块同时接通内部开关电路，使电容的电能向线圈31泄放，线圈31产生磁场拉动对应的三个锁定钢球22背离球帽21运动扩大间隙与锁紧销26脱离，在机械臂作用下锁紧销26抽离球帽21实现解锁。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，其特征在于：由两个无性别对接单体装配组成，所述无性别对接单体包括对接机构、锁紧机构及电气结构；
所述对接机构的对接基体(11)为安装端封闭的环状，所述对接基体(11)对接端边缘等角度交替排布设置相互配合的三个锥形插头(12)和三个锥形插槽(13)；
所述锁紧机构包括球帽(21)、锁定钢球(22)、球笼(23)、复位弹簧(24)、帽杯(25)及锁紧销(26)，对接基体(11)对接端面中间位置以其中心为轴等角度排布加工三个安装孔，所述安装孔内底部固定设置帽杯(25)，所述帽杯(25)内底部通过所述复位弹簧(24)竖向支撑设置球笼(23)，所述球笼(23)顶部为中空的锥段并等角度排布开设三个卡槽，所述三个卡槽内放置三个所述锁定钢球(22)，所述球帽(21)固定设置在帽杯(25)内顶部，球帽(21)设置有与球笼(23)顶部锥度相同的内锥面并罩设支撑在三个锁定钢球(22)外侧，且球帽(21)与球笼(23)均贯通设置供锁紧销(26)插装的中心孔，对接基体(11)对接端面中间位置以其中心为轴等角度排布固定三根锁紧销(26)，所述三根锁紧销(26)与三个安装孔错位排布并位于同一圆上，锁紧销(26)邻近端部位置加工环槽能够卡定在三个锁定钢球(22)之间；
所述电气结构包括线圈(31)、动力接口柱销阵列(32)及信号接口触点阵列(33)，三个安装孔内侧壁均固定线圈(31)，在所述线圈(31)通电状态下产生磁场能够吸附拉动对应的三个锁定钢球(22)，所述动力接口柱销阵列(32)集成设置在对接基体(11)对接端面中心位置，所述信号接口触点阵列(33)集成设置在对接基体(11)对接端面边缘位置。
2.根据权利要求1所述的一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，其特征在于：所述对接基体(11)内部还集成设置蓄能模块，所述蓄能模块包括电池、电容、升压电路及开关电路，在两个无性别对接单体装配阶段通过所述动力接口柱销阵列(32)的对接能够为蓄能模块充电蓄能，在两个无性别对接单体解锁阶段蓄能模块为线圈(31)提供电能。
3.根据权利要求1所述的一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，其特征在于：所述对接基体(11)的三个锥形插头(12)尖端内侧加工设置斜面(14)。
4.根据权利要求1所述的一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，其特征在于：所述锁紧销(26)端部加工设置锥头。
5.根据权利要求1所述的一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，其特征在于：所述锁紧销(26)与对接基体(11)采用螺纹连接固定。
6.根据权利要求1所述的一种在轨装配任务用模块化大容差无性别机电接口，其特征在于：所述帽杯(25)内壁中间位置设置环形凹槽，所述球帽(21)底部外扩设置帽檐并与所述环形凹槽卡接固定。
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| CN116742410B (zh) | 2024-06-21 |
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| PB01 | Publication | ||
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