CN117184459A - 一种主被动端接口同构式快换装置 - Google Patents

Abstract

一种主被动端接口同构式快换装置，属于快换装置。为了解决现有的快换接口存在锁紧强度低的问题。本发明包括安装在空间机械臂上的主动对接锁紧模块和安装在快换工具上的被动对接锁紧模块；所述的空间机械臂与快换工具通过主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块中的一级锁紧机构和二级锁紧机构实现对接锁紧或快速解锁，完成快换工具的快速安装与更换，并通过流体传输与电接头机构实现流体传输和电传输。本发明主要用于空间机械臂与快换工具的安装与拆卸。

Description

一种主被动端接口同构式快换装置

技术领域

本发明属于快换装置，尤其涉及一种主被动端接口同构式快换装置。

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，例如中国专利“CN115366151A”公开的“托卡马克装置维护用重载机械臂快换接头”，其采用中空的大直径的滚珠丝杠作为动力源，效率更高，输出轴向力更大，锁紧更可靠；锁紧装置既保证了紧密锁紧的效果，又能防止丝杠动力意外卸载时末端执行器脱落的风险；通过锁紧装置和末端执行器对接头的配合能实现大的浮动量，从而消除两对接装置在对接前存在较大的误差。通过两组机构-锁紧装置和末端执行器对接头-的配合，轴向上实现先导向后锁紧的功能，在径向通过锥孔进行导向，轴向、径向均有很大的容差。但是对比文件仅具有一个锁紧机构，锁紧强度低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：现有的快换接口存在锁紧强度低的问题；进而提供一种主被动端接口同构式快换装置。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种主被动端接口同构式快换装置，它包括安装在空间机械臂上的主动对接锁紧模块和安装在快换工具上的被动对接锁紧模块；

所述的主动对接锁紧模块包括装配定位壳、第一环形外壳、中间支撑板、机械臂安装接口、动力传输机构、一级主动锁紧单元和二级主动锁紧单元；所述的被动对接锁紧模块包括对接外壳、二级被动锁紧单元和快换工具安装接口；所述的对接外壳上设置有一级被动锁口，二级被动锁紧单元安装在对接外壳顶部的凹口内，所述的快换工具安装接口安装在对接外壳的底部，并与快换工具固定连接；

所述的一级主动锁紧单元与一级被动锁口构成一级锁紧机构，所述的二级主动锁紧单元与二级被动锁紧单元构成二级锁紧机构，所述的空间机械臂与快换工具通过主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块中的一级锁紧机构和二级锁紧机构实现双重锁紧；

所述的装配定位壳和第一环形外壳由内至外同轴依次设置在中间支撑板的上表面处，且二者之间形成环形插装槽，所述装配定位壳顶部的中心位置设置有中心安装槽，装配定位壳的底部沿中心安装槽的圆周方向开有开口朝下的环形安装槽；所述环形安装槽的外圆周壁上以及中心安装槽的外圆周壁上沿圆周方向分别开有若干个滑动通孔，所述环形安装槽上的滑动通孔与环形插装槽相通；所述中心安装槽上的滑动通孔与环形安装槽相通；所述的机械臂安装接口安装在中间支撑板的下表面处，并与空间机械臂连接；所述动力传输机构的动力输出端转动套装在中心安装槽外，并处于环形安装槽内；

所述的一级主动锁紧单元包括由内至外依次设置、并依次传递动力的动力传输组件、分度环组件和楔环组件，所述的动力传输组件和分度环组件安装在环形安装槽内，并依次套在动力传输机构的动力输出端；动力传输组件的动力输入端与动力传输机构的动力输出端抵接设置，动力传输组件的动力输出端与分度环组件的动力输入端抵接设置，动力传输组件将动力传输机构提供的轴向驱动力传递给分度环组件的动力输出端；所述的楔环组件安装在环形插装槽内，楔环组件的动力输入端穿过装配定位壳中环形安装槽上的滑动通孔并抵接在分度环组件上，所述的分度环组件对楔环组件的动力输入端具有锁定作用，楔环组件的动力输入端通过分度环组件中动力输出端的轴向运动而实现解锁或再次锁定，通过楔环组件的轴向运动而实现主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块的一级锁紧；

所述的二级主动锁紧单元安装在中心安装槽内，并在动力传输机构的驱动下实现轴向移动，实现二级主动锁紧单元与二级被动锁紧单元的对接锁紧，进而实现主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块的二级锁紧。

进一步的，所述装配定位壳的顶部与对接外壳的顶部均为花瓣状结构，且二者相互配合实现快速定位。

进一步的，所述的动力传输机构包括作为动力输出端的环状凸轮；

所述的环状凸轮包括由上至下依次设置并一体连接的上导向环、中间导向环和下定位环；所述的上导向环上沿其圆周方向均匀设置有多个三角形的导向凸起，所述导向凸起的凸起方向朝向下定位环延伸，导向凸起两侧的斜坡面与上导向环的下端面形成依次相连的水平导向段一、爬坡段、下坡段和水平导向段二；所述的中间导向环上沿圆周方向均匀开有若干个导向孔，每个导向孔包括依次相连通的水平段和斜坡驱动段；所述环状凸轮上的上导向环、导向凸起和下定位环作为一级主动锁紧单元的驱动；所述中间导向环上的导向孔作为二级主动锁紧单元的驱动。

进一步的，所述的动力传输组件包括由上至下依次设置的适配环和强迫环，所述的适配环和强迫环之间通过沿圆周方向均匀设置的若干根导向销进行连接，所述的适配环沿着导向销的轴线方向进行上下移动，每根导向销上套有一根小弹簧，用于适配环的归位；所述适配环的内环壁上和强迫环的内环壁上沿圆周方向分别均匀设置有若干个第一凸轮滚子，处于强迫环上的第一凸轮滚子抵接在环状凸轮中下定位环的上表面处，处于适配环上的第一凸轮滚子抵接在环状凸轮中的水平导向段一的下表面处，并靠近导向凸起处设置；所述适配环的外环壁上沿圆周方向均匀设置有若干个第二凸轮滚子，所述的第二凸轮滚子抵接在分度环组件的动力输入端上。

进一步的，所述的分度环组件包括分度环、大弹簧、导向驱动环和上环形盖；所述的大弹簧和导向驱动环轴向依次安装在分度环内，大弹簧的底端抵接在分度环的底部，大弹簧的顶端抵接在导向驱动环上，所述的导向驱动环与分度环轴向滑动连接；所述的上环形盖安装在分度环的顶部，并将导向驱动环固定在分度环内；

所述的分度环上沿着圆周方向均匀开有若干个贯穿于内外表面的第一滑槽，每个第一滑槽沿着分度环的轴线方向进行布置；所述分度环的外圆周壁上均匀设置有若干个挡片，所述的挡片将其中一部分第一滑槽的上半部遮挡住，并形成短滑槽；相邻的两个挡片间形成间隙，并与另一部分的第一滑槽相通，作为长滑槽使用；所述的短滑槽与长滑槽交替设置；所述挡片的底端设置成带有凹口的导向坡；

所述导向驱动环的外圆周壁上沿着圆周方向垂直设置有若干个导向杆，所述导向杆的数量与第一滑槽的数量相同，导向杆滑动设置在第一滑槽内；所述动力传输组件中的第二凸轮滚子抵接在导向驱动环的上表面处。

进一步的，所述的楔环组件包括第二环形外壳、若干个锁紧销、锁紧销楔环、若干个第三凸轮滚子、若干个上支撑弹簧和若干个下支撑弹簧；所述的锁紧销楔环同轴安装在第二环形外壳的内壁处，并与第二环形外壳轴向滑动连接，第二环形外壳的顶部、锁紧销楔环上表面与装配定位壳的外壁形成环形腔体，所述的锁紧销沿着圆周方向均匀设置在环形腔体内；若干个所述的第三凸轮滚子沿着锁紧销楔环的圆周方向均匀设置在锁紧销楔环的内环壁上，第三凸轮滚子穿过装配定位壳上的第一滑动通孔并抵接在挡片的凹口处；若干个所述的上支撑弹簧沿着第二环形外壳的圆周方向均匀设置在第二环形外壳内，并处于锁紧销楔环的底端与第二环形外壳底部之间的位置处；若干个所述的下支撑弹簧沿着环形插装槽的圆周方向均匀设置在环形插装槽内，并处于第二环形外壳的底端与装配定位壳的底端之间；所述的上支撑弹簧和下支撑弹簧处于压缩状态。

进一步的，所述锁紧销楔环的顶端由上至下依次设置有上坡面和下坡面，所述的上坡面和下坡面均向下倾斜。

进一步的，所述的主动对接锁紧模块还包括安装在中心安装槽内的主动端流体传输与电接头单元，主动端流体传输与电接头单元上沿其圆周方向安装有若干个第四凸轮滚子，所述的第四凸轮滚子穿过装配定位壳上的第二滑动通孔并插装在环状凸轮中的导向孔中；所述的被动对接锁紧模块还包括安装在对接外壳凹口内的被动端流体传输与电接头单元，通过环状凸轮的旋转带动主动端流体传输与电接头单元朝向被动端流体传输与电接头单元移动，进而实现主动端流体传输与电接头单元与被动端流体传输与电接头单元的对接。

进一步的，所述的二级主动锁紧单元为永磁失电制动器，二级被动锁紧单元为环形衔铁。

进一步的，所述的永磁失电制动器设置在主动端流体传输与电接头单元的中心位置；所述的环形衔铁套装在被动端流体传输与电接头单元的中心位置。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明通过一级锁紧机构和二级锁紧机构的双重锁紧，保证了主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块锁紧的牢固性与稳定性。.

2、本发明通过流体传输与电接头机构实现主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块的流体传输和电传输，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。

3、本发明通过动力传输机构中的环状凸轮分别为一级主动锁紧单元、二级主动锁紧单元和主动端流体传输与电接头单元提供动力，其中动力传输机构为一级主动锁紧单元提供轴向的动力，并利用动力传输组件给分度环组件传递轴向的动力，分度环组件用于楔环组件中第三凸轮滚子的锁紧或者解锁，在分度环组件中的导向驱动环的轴向移动下来实现锁紧销楔环的上下移动，进而实现锁紧销伸出或者收回。其中动力传输机构为永磁失电制动器提供轴向的动力，并与环形衔铁靠近，通过吸合力实现锁紧。其中动力传输机构为主动端流体传输与电接头单元提供轴向的动力，主动端流体传输与电接头单元克服流体插头与插座带来的对接力以及再克服之后弹簧触针带来的对接力，并与被动端流体传输与电接头单元进行对接。

4、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。

5、本发明中在主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块紧密贴合的情况下，由于被动对接锁紧模块整体结构相对简单且不具备驱动能力，因此无需考虑主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块二者输出的同步性，仅依靠主动对接锁紧模块输出即可实现锁紧。

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为主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块对接前的结构示意图。

图2为主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块对接后的结构示意图。

图3为主动对接锁紧模块与被动对接锁紧模块对接后的轴侧图。

图4为主动对接锁紧模块对接前的结构示意图。

图5为装配定位壳与动力传输机构装配示意图。

图6为环状凸轮的结构示意图。

图7为一级主动锁紧单元的结构示意图。

图8为动力传输组件的结构示意图。

图9为分度环组件的结构示意图。

图10为楔环组件的结构示意图。

图11为楔环组件与分度环组件的装配图一。

图12为被动对接锁紧模块的结构示意图。

图13为主动端流体传输与电接头单元的结构示意图。

图14为被动端流体传输与电接头单元的结构示意图。

图15为主动端流体传输与电接头单元与环状凸轮相配合的结构示意图。

附图标记说明：A-主动对接锁紧模块；B-被动对接锁紧模块；C-一级锁紧机构；D-二级锁紧机构；E-流体传输与电接头机构；

1-装配定位壳；2-第一环形外壳；3-中间支撑板；4-机械臂安装接口；5-动力传输机构；6-一级主动锁紧单元；7-一级被动锁口；8-二级主动锁紧单元；9-二级被动锁紧单元；10-主动端流体传输与电接头单元；11-被动端流体传输与电接头单元；12-对接外壳；13-快换工具安装接口；101-第四凸轮滚子；1201-第二凸起部；1202-第二凹陷部；110-内壳；111-第二滑动通孔；120-外环；121-第一滑动通孔；130-顶部对接环；131-第一凸起部；132-第一凹陷部；140-环形安装槽；150-中心安装槽；160-环形插装槽；510-动力输出单元；520-齿轮减速单元；521-太阳轮；522-行星轮；523-内齿圈；530-环状凸轮；531-上导向环；532-中间导向环；533-下定位环；534-导向凸起；535-水平导向段一；536-爬坡段；537-下坡段；538-水平导向段二；539-导向孔；5391-水平段；5392-斜坡驱动段；610-动力传输组件；611-适配环；612-强迫环；613-导向销；614-小弹簧；615-第一凸轮滚子；616-第二凸轮滚子；620-分度环组件；621-分度环；6211-第一滑槽；6212-挡片；6213-凹口；623-大弹簧；624-导向驱动环；6241-导向杆；625-上环形盖；630-楔环组件；631-第二环形外壳；632-锁紧销；633-锁紧销楔环；634-第三凸轮滚子；635-上支撑弹簧；636-下支撑弹簧。

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3，本申请实施例提供一种主被动端接口同构式快换装置，其包括安装在空间机械臂上的主动对接锁紧模块A和安装在快换工具上的被动对接锁紧模块B；所述的空间机械臂与快换工具通过主动对接锁紧模块A与被动对接锁紧模块B中的一级锁紧机构C和二级锁紧机构D实现对接锁紧或快速解锁，完成快换工具的快速安装与更换，并通过流体传输与电接头机构E实现流体传输和电传输；

所述的一级锁紧机构C是由相互配合的一级主动锁紧单元6和一级被动锁口7组成，一级主动锁紧单元6设置在主动对接锁紧模块A中，一级被动锁口7设置在被动对接锁紧模块B中，通过一级主动锁紧单元6和一级被动锁口7的配合实现一级的锁紧；所述的二级锁紧机构D是由相互配合的二级主动锁紧单元8和二级被动锁紧单元9组成，二级主动锁紧单元8设置在主动对接锁紧模块A中，二级被动锁紧单元9设置在被动对接锁紧模块B中，通过二级主动锁紧单元8和二级被动锁紧单元9的配合实现二级的锁紧；所述的流体传输与电接头机构E包括主动端流体传输与电接头单元10和被动端流体传输与电接头单元11，主动端流体传输与电接头单元10设置在主动对接锁紧模块A中，被动端流体传输与电接头单元11设置在被动对接锁紧模块B中，通过主动端流体传输与电接头单元10与被动端流体传输与电接头单元11的对接实现流体传输和电传输。

参见图4，所述的主动对接锁紧模块A包括装配定位壳1、第一环形外壳2、中间支撑板3、机械臂安装接口4、动力传输机构5、一级主动锁紧单元6、二级主动锁紧单元8和主动端流体传输与电接头单元10；

其中，所述的装配定位壳1和第一环形外壳2由内至外同轴依次设置在中间支撑板3的上表面处，且二者之间形成环形插装槽160，所述第一环形外壳2的底部固装在中间支撑板3的上表面上，所述装配定位壳1中外环面的底部与第一环形外壳2的底部固定连接，所述装配定位壳1中间的部分与中间支撑板3之间形成一定的安装空间；所述的机械臂安装接口4固装在中间支撑板3的下表面上，并与空间机械臂固定连接，所述主动对接锁紧模块A通过机械臂安装接口4与空间机械臂的端部固定连接；

参见图5，所述的装配定位壳1包括一体设置的桶状内壳110、外环120和顶部对接环130，所述的外环120同轴套在内壳110外，顶部对接环130设置在内壳110与外环120的顶部且三者之间形成开口朝下的环形安装槽140，桶状内壳110顶部的中心部位作为中心安装槽150，所述的环形安装槽140套在中心安装槽150外；所述的外环120上沿其圆周方向均匀开有若干个第一滑动通孔121，所述的第一滑动通孔121沿着外环120的轴线方向进行布置，环形插装槽160与环形安装槽140通过第一滑动通孔121相通；所述的内壳110上沿其圆周方向均匀开有三个第二滑动通孔111，所述的第二滑动通孔111沿着内壳110的轴线方向进行布置，所述的环形安装槽140与中心安装槽150通过第二滑动通孔111相通。

进一步的，所述顶部对接环130的上端面为花瓣状结构，其包括若干个沿圆周方向均匀设置的第一凸起部131，相邻的两个第一凸起部131之间形成一个第一凹陷部132；当主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B相向运动时，在第一凸起部131边缘的导向下实现快速对接并紧密贴合。

参见图5，其中所述的动力传输机构5包括动力输出单元510、齿轮减速单元520和环状凸轮530；所述的动力输出单元510安装在中间支撑板3和机械臂安装接口4之间的位置处，齿轮减速单元520处于装配定位壳1与中间支撑板3之间的位置处，所述的环状凸轮530通过上下两组轴承套装在装配定位壳1中的内壳110上，并处于环形安装槽140中；动力输出单元510的输出端穿过中间支撑板3并与齿轮减速单元520的动力输入端连接，齿轮减速单元520的动力输出端与环状凸轮530的底部固定连接，动力输出单元510输出的旋转扭矩通过齿轮减速单元520进行减速，并将旋转扭矩传递给环状凸轮530。

进一步的，所述的动力输出单元510为电机。

进一步的，所述的齿轮减速单元520为行星齿轮系，其包括太阳轮521、若干个行星轮522和内齿圈523，所述的太阳轮521安装在动力输出单元510的输出端上，所述的内齿圈523与环状凸轮530的底部固定连接，并与太阳轮521同轴设置，若干个所述的行星轮522转动安装在中间支撑板3与内壳110上，并处于太阳轮521与内齿圈523之间，所述的太阳轮521与行星轮522相啮合，行星轮522与内齿圈523相啮合，实现旋转扭矩的传递。

进一步的，参见图6，所述的环状凸轮530包括由上至下依次设置并一体连接的上导向环531、中间导向环532和下定位环533；所述的上导向环531上沿其圆周方向均匀设置有三个三角形的导向凸起534，所述导向凸起534的凸起方向朝向下定位环533延伸，导向凸起534两侧的斜坡面与上导向环531的下端面形成依次相连的水平导向段一535、爬坡段536、下坡段537和水平导向段二538；所述的中间导向环532上沿圆周方向均匀开有三个导向孔539，每个导向孔539包括依次相连通的水平段5391和斜坡驱动段5392；所述的上导向环531、中间导向环532和导向凸起534作为环状凸轮530的动力输出端；所述的下定位环533作为环状凸轮530的动力输入端，所述环状凸轮530的下定位环533和行星轮522进行固定连接。

本实施例中，所述环状凸轮530上的上导向环531、三个导向凸起534和下定位环533作为一级主动锁紧单元6的驱动，使得一级锁紧机构C将主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B进行锁紧或者解锁；所述环状凸轮530上的三个导向孔539作为流体传输与电接头机构E和二级锁紧机构D的驱动，使得主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B上的流体的对接与电的对接，并实现主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B的进一步锁紧。

参见图7，其中所述的一级主动锁紧单元6包括由内至外依次设置并依次传递动力的动力传输组件610、分度环组件620和楔环组件630，所述的动力传输组件610和分度环组件620安装在环形安装槽140内，并套在环状凸轮530的外部；动力传输组件610的动力输入端与环状凸轮530的动力输出端抵接，动力传输组件610的动力输出端与分度环组件620的动力输入端相抵接；所述的楔环组件630安装在环形插装槽160内，楔环组件630的动力输入端穿过装配定位壳1上的第一滑动通孔121并抵接在分度环组件620上。

进一步的，参见图8，所述的动力传输组件610包括由上至下依次设置的适配环611和强迫环612，所述的适配环611和强迫环612之间通过沿圆周方向均匀设置的四根导向销613进行连接，所述的适配环611可以沿着导向销613的轴线方向进行上下移动，每根导向销613上套有一根小弹簧614，用于适配环611的归位；所述适配环611的内环壁上和强迫环612的内环壁上沿圆周方向分别均匀设置有三个第一凸轮滚子615，处于强迫环612上的第一凸轮滚子615抵接在环状凸轮530中下定位环533的上表面处，处于适配环611上的第一凸轮滚子615抵接在环状凸轮530中的水平导向段一535的下表面处，并靠近导向凸起534处设置；所述适配环611的外环壁上沿圆周方向均匀设置有四个第二凸轮滚子616，所述的第二凸轮滚子616抵接在分度环组件620上。

进一步的，参见图9，所述的分度环组件620包括分度环621、大弹簧623、导向驱动环624和上环形盖625；所述的大弹簧623和导向驱动环624轴向依次安装在分度环621内，大弹簧623的底端抵接在分度环621的底部，大弹簧623的顶端抵接在导向驱动环624上，所述的导向驱动环624与分度环621滑动连接；所述的上环形盖625安装在分度环621的顶部，并将导向驱动环624固定在分度环621内；

所述的分度环621上沿着圆周方向均匀开有若干个贯穿于内外表面的第一滑槽6211，每个第一滑槽6211沿着分度环621的轴线方向进行布置；所述分度环621的外圆周壁上均匀设置有若干个挡片6212，所述的挡片6212将其中一部分第一滑槽6211的上部遮挡住，并形成短滑槽；相邻的两个挡片6212间形成间隙，并与另一部分的第一滑槽6211相通，作为长滑槽使用；所述的短滑槽与长滑槽交替设置；所述挡片6212的底端设置成带有凹口6213的导向坡；挡片6212的内壁上开有贯穿于顶部及底部的第二滑槽，所述的第二滑槽与第一滑槽6211相通；

所述导向驱动环624的外圆周壁上沿着圆周方向垂直设置有若干个导向杆6241，所述导向杆6241的数量与第一滑槽6211的数量相同，导向杆6241滑动设置在第一滑槽6211内；所述动力传输组件610中适配环611上的四个第二凸轮滚子616抵接在导向驱动环624的上表面处。

本实施例中，，当导向驱动环624滑动到分度环621靠近中间的位置处时，导向杆6241正好处于挡片6212底端的凹口6213处，所述导向杆6241的外壁与导向坡的左侧形成一个斜坡面。

进一步的，参见图11和图12，所述的楔环组件630包括第二环形外壳631、若干个锁紧销632、锁紧销楔环633、若干个第三凸轮滚子634、若干个上支撑弹簧635和若干个下支撑弹簧636；所述的锁紧销楔环633同轴安装在第二环形外壳631的内壁处，并与第二环形外壳631轴向滑动连接，若干个所述的锁紧销632沿着第二环形外壳631内环壁的圆周方向均匀设置，并处于第二环形外壳631的顶部、锁紧销楔环633上表面与装配定位壳1中的外环120外壁之间的位置处；若干个所述的第三凸轮滚子634沿着锁紧销楔环633的圆周方向均匀设置在锁紧销楔环633的内环壁上；所述的第三凸轮滚子634穿过装配定位壳1中外环120上的第一滑动通孔121并抵接在分度环621中挡片6212的凹口6213处；若干个所述的上支撑弹簧635沿着第二环形外壳631的圆周方向均匀设置在第二环形外壳631内，并处于锁紧销楔环633的底端与第二环形外壳631底部之间的位置处；若干个所述的下支撑弹簧636沿着环形插装槽160的圆周方向均匀设置在环形插装槽160内，并处于第二环形外壳631的底端与装配定位壳1中外环120的底端之间；所述的上支撑弹簧635和下支撑弹簧636处于压缩状态。

更进一步的，参见图11，所述锁紧销楔环633的顶端由上至下依次设置有上坡面和下坡面，所述的上坡面和下坡面均向下倾斜。

参见图14，所述的被动对接锁紧模块B包括对接外壳12、被动端流体传输与电接头单元11、二级被动锁紧单元9和快换工具安装接口13；所述的被动端流体传输与电接头单元11和二级被动锁紧单元9同轴安装在对接外壳3顶部的凹口内，且二级被动锁紧单元9安装在被动端流体传输与电接头单元11内，所述的快换工具安装接口13安装在对接外壳12的底部，并与快换工具固定连接。

所述的对接外壳12为花瓣状结构，并与装配定位壳1中的顶部对接环130相匹配；即对接外壳12的顶部包括若干个沿圆周方向均匀设置的第二凸起部1201，相邻的两个第二凸起部1201间形成第二凹陷部1202，所述的第二凹陷部1202与装配定位壳1中的第一凸起部131相匹配；所述的第二凸起部1201与装配定位壳1中的第一凹陷部132相匹配；所述的一级被动锁口7设置在对接外壳12中第二凸起部1201的外壁上，并沿着对接外壳12的圆周方向进行设置。

参见图1，所述的二级主动锁紧单元8为永磁失电制动器，所述的二级被动锁紧单元9为环形衔铁；通过永磁失电制动器与环形衔铁的吸合实现主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B的二级锁紧。其中永磁失电制动器与环形衔铁仅通过失电即可实现整个锁紧的过程，锁紧过程比较简单，可以实现快速锁紧，通过上电即可实现解锁的过程，解锁的过程也比较简单，可以实现快速解锁。

参见图4、图13、图14和图15，所述的主动端流体传输与电接头单元10和二级主动锁紧单元8安装在中心安装槽150内；主动端流体传输与电接头单元10上沿其圆周方向安装有三个第四凸轮滚子101，所述的第四凸轮滚子101穿过装配定位壳1中内壳110上的第二滑动通孔111并插装在环状凸轮530中的中间导向环532的导向孔539中；由于导向孔539包括水平段5391和斜坡驱动段5392，当第四凸轮滚子101处于导向孔539的水平段5391内时，环状凸轮530的顺指针旋转对主动端流体传输与电接头单元10不具有推力作用，当第四凸轮滚子101处于导向孔539的斜坡驱动段5392时，第四凸轮滚子101在环状凸轮530的推力作用下以及装配定位壳1中内壳110上的第二滑动通孔111导向作用下，沿着轴线方向向上运动。

本实施例中，所述的主动端流体传输与电接头单元10包括流体组件及连接器，被动端流体传输与电接头单元11也包括流体组件及连接器；由于机械臂无法克服流体传输及电接头模块E所需要的对接力，所以本实施例将主动端流体传输与电接头单元10设计为可以轴向运动的形式，被动端流体传输与电接头单元11设计为固定的形式，即采用机械的方式克服流体传输及电接头模块E的对接力。在主被动端快换接口内部连接器的对接面上，分别均匀分布四个流体插头与插座，用于实现流体传输功能，在连接器对接面的中心，间隔分布弹簧触针和固定针座，用于实现电传输的功能。

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：

初始阶段：

如图1所示，为主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B在对接前的状态示意图，此时主动对接锁紧模块A处于初始状态；其中，所述的锁紧销632处于第二环形外壳631的顶部、锁紧销楔环633上表面与装配定位壳1中的外环120外壁之间的位置处并保持不动；所述动力传输组件610中适配环611上的三个第一凸轮滚子615处于环状凸轮530上的水平导向段一535；楔环组件630中的第三凸轮滚子634抵接在分度环组件620中挡片6212的凹口6213处；主动端流体传输与电接头单元10中的第四凸轮滚子101处于环状凸轮530中的中间导向环532的导向孔539的水平段5391。

主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B的对接锁紧过程：

S1，当主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B在外部空间装备的带动作用下相互接近时，通过主动对接锁紧模块A中花瓣状的装配定位壳1与被动对接锁紧模块B中花瓣状的对接外壳12的配合实现快速定位；

S2，当主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B定位完毕后，电机启动，所述电机输出的扭矩通过行星齿轮系减速后，将扭矩传递给环状凸轮530并使得环状凸轮530顺时针旋转，环状凸轮530上的水平导向段一535不会对动力传输组件610中适配环611上的三个第一凸轮滚子615产生作用力，当环状凸轮530继续顺时针旋转时，爬坡段536对适配环611上的三个第一凸轮滚子615产生轴向的挤压力，适配环611上的第一凸轮滚子615带动适配环611克服小弹簧的弹力而轴向向下移动，适配环611上的四个第二凸轮滚子616对分度环组件620中的导向驱动环624产生轴向向下的挤压力，使得分度环组件620中的导向驱动环624克服大弹簧的弹力而向下移动，当导向驱动环624中处于短滑槽中的导向杆6241移动到挡片6212的凹口6213处时，导向杆6241向下挤压楔环组件630中的第三凸轮滚子634，且导向杆6241的外壁与挡片6212中导向坡的左侧形成一个平滑的斜坡面，楔环组件630中的第三凸轮滚子634抵接在斜坡面上；由于上支撑弹簧635和下支撑弹簧636处于压缩状态，所以上支撑弹簧635和下支撑弹簧636始终给锁紧销楔环633向上的力，锁紧销楔环633将向上的力传递给第三凸轮滚子634，第三凸轮滚子634对分度环621及导向驱动环624产生逆时针的推动力，分度环组件620逆时针转动，第三凸轮滚子634在锁紧销楔环633的推力作用下向上移动，并逐渐处于斜坡面的坡顶处；此时动力传输组件610中适配环611上的三个第一凸轮滚子615处于环状凸轮530中导向凸起534的最底端，环状凸轮530继续顺时针旋转，适配环611上的三个第一凸轮滚子615处于下坡段537，适配环611在小弹簧614的回弹力下向上移动，适配环611上的第二凸轮滚子616不会对分度环组件620中的导向驱动环624产生向下的挤压力，导向驱动环624在大弹簧623的回弹力下向上移动；而楔环组件630中的第三凸轮滚子634在锁紧销楔环633向上的推力下进入到长滑槽中，锁紧销楔环633不再受到分度环组件620的锁定制约而向上移动；同时下支撑弹簧636对第二环形外壳631产生向上的推力，使得第二环形外壳631向上移动，锁紧销楔环633在上支撑弹簧635的回弹力下对锁紧销632产生向上的推力，锁紧销632在锁紧销楔环633的导向坡面的作用下部分伸出楔环组件630，并插入被动对接锁紧模块B中的一级被动锁口7中，实现主动对接锁紧模块A与被动对接锁紧模块B的锁紧。

同时，主动端流体传输与电接头单元10中的第四凸轮滚子101由导向孔539的水平段5391进入到斜坡驱动段5392，第四凸轮滚子101在环状凸轮530的推力作用下以及装配定位壳1中内壳110上的第二滑动通孔111导向作用下，带动主动端流体传输与电接头单元10与永磁失电制动器沿着轴线方向向上运动，主动端流体传输与电接头单元10克服流体插头与插座带来的对接力以及再克服之后弹簧触针带来的对接力，并与被动端流体传输与电接头单元11进行对接。所述的永磁失电制动器在磁场的作用下克服流体插头与插座带来的对接力以及再克服之后弹簧触针带来的对接力，并与衔铁吸合在一起，使主动对接锁紧模块A与被动对接锁紧模块B进一步的锁紧，实现二级锁紧固定。

2、解锁归位过程：

如图2和图3所示，为主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B在对接后的状态示意图；其中，所述的锁紧销632处于第二环形外壳631的顶部、锁紧销楔环633上表面与被动对接锁紧模块B中的一级被动锁口7之间的位置处并保持不动；所述动力传输组件610中适配环611上的三个第一凸轮滚子615处于环状凸轮530上的水平导向段二538；楔环组件630中的第三凸轮滚子634抵接在分度环组件620中的长滑槽顶部；主动端流体传输与电接头单元10中的第四凸轮滚子101处于环状凸轮530中的中间导向环532的导向孔539的斜坡驱动段5392的顶部。

主动对接锁紧模块A和被动对接锁紧模块B的解锁过程：

S1，永磁失电制动器上电，与衔铁的吸合力消失；

S2，电机启动，电机输出的扭矩通过行星齿轮系减速后，将扭矩传递给环状凸轮530并使得环状凸轮530逆时针旋转，环状凸轮530上的水平导向段二538不会对动力传输组件610中适配环611上的三个第一凸轮滚子615产生作用力，当环状凸轮530继续逆时针旋转时，下坡段537对适配环611上的三个第一凸轮滚子615产生轴向的挤压力，适配环611上的第一凸轮滚子615带动适配环611克服小弹簧的弹力而轴向向下移动，适配环611上的四个第二凸轮滚子616对分度环组件620中的导向驱动环624产生轴向向下的挤压力，使得分度环组件620中的导向驱动环624克服大弹簧的弹力而向下移动，处于分度环长滑槽中的导向杆6241挤压楔环组件630中的第三凸轮滚子634，第三凸轮滚子634带动锁紧销楔环633向下移动，锁紧销楔环633上的下坡面不再对锁紧销632产生挤压力，并带动第二环形外壳631向下移动，锁紧销632在第二环形外壳631的带动下重新回到锁紧销楔环633的上坡面与第二环形外壳631之间的位置处，并与被动对接锁紧模块B中的一级被动锁口7脱离，二者实现解锁。

同时，主动端流体传输与电接头单元10中的第四凸轮滚子101在环状凸轮逆时针的转动下，由导向孔539的斜坡驱动段5392进入到水平段5391，第四凸轮滚子101在环状凸轮530的推力作用下以及装配定位壳1中内壳110上的第二滑动通孔111导向作用下，带动主动端流体传输与电接头单元10与永磁失电制动器沿着轴线方向向下运动，主动端流体传输与电接头单元10与被动端流体传输与电接头单元11脱离。

S3，主动对接锁紧模块A与被动对接锁紧模块B在外部空间装备的带动下远离。

主动对接锁紧模块的归位过程：

由于适配环611上的四个第二凸轮滚子616对分度环组件620中的导向驱动环624产生轴向向下的挤压力，处于长滑槽中的导向杆6241在下移一段距离后，与左侧挡片6212中的导向坡形成一个平滑的斜坡面，楔环组件630中的第三凸轮滚子634在长滑槽中导向杆6241的推力下抵接在斜坡面上；由于上支撑弹簧635和下支撑弹簧636处于压缩状态，所以上支撑弹簧635和下支撑弹簧636始终给锁紧销楔环633向上的力，锁紧销楔环633将向上的力传递给第三凸轮滚子634，第三凸轮滚子634对分度环621及导向驱动环624产生逆时针的推动力，分度环组件620逆时针转动，第三凸轮滚子634在锁紧销楔环633的推力作用下沿着斜坡面向上移动；此时动力传输组件610中适配环611上的三个第一凸轮滚子615处于环状凸轮530中导向凸起534的最底端，环状凸轮530继续逆时针旋转，适配环611上的三个第一凸轮滚子615处于爬坡段536，适配环611在小弹簧614的回弹力下向上移动，适配环611上的第二凸轮滚子616不会对分度环组件620中的导向驱动环624产生向下的挤压力，导向驱动环624在大弹簧623的回弹力下向上移动，第三凸轮滚子634在锁紧销楔环633的推力作用下处于挡片的凹口内；楔环组件630中的第三凸轮滚子634受到分度环组件620中分度环的锁定制约而保持不动，实现主动对接锁紧模块A的归位。

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)

1.一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：它包括安装在空间机械臂上的主动对接锁紧模块(A)和安装在快换工具上的被动对接锁紧模块(B)；

所述的主动对接锁紧模块(A)包括装配定位壳(1)、第一环形外壳(2)、中间支撑板(3)、机械臂安装接口(4)、动力传输机构(5)、一级主动锁紧单元(6)和二级主动锁紧单元(8)；所述的被动对接锁紧模块(B)包括对接外壳(12)、二级被动锁紧单元(9)和快换工具安装接口(13)；所述的对接外壳(12)上设置有一级被动锁口(7)，二级被动锁紧单元(9)安装在对接外壳(3)顶部的凹口内，所述的快换工具安装接口(13)安装在对接外壳(12)的底部，并与快换工具固定连接；

所述的一级主动锁紧单元(6)与一级被动锁口(7)构成一级锁紧机构(C)，所述的二级主动锁紧单元(8)与二级被动锁紧单元(9)构成二级锁紧机构(D)，所述的空间机械臂与快换工具通过主动对接锁紧模块(A)与被动对接锁紧模块(B)中的一级锁紧机构(C)和二级锁紧机构(D)实现双重锁紧；

所述的装配定位壳(1)和第一环形外壳(2)由内至外同轴依次设置在中间支撑板(3)的上表面处，且二者之间形成环形插装槽(160)，所述装配定位壳(1)顶部的中心位置设置有中心安装槽(150)，装配定位壳(1)的底部沿中心安装槽(150)的圆周方向开有开口朝下的环形安装槽(140)；所述环形安装槽(140)的外圆周壁上以及中心安装槽(150)的外圆周壁上沿圆周方向分别开有若干个滑动通孔，所述环形安装槽(140)上的滑动通孔与环形插装槽(160)相通；所述中心安装槽(150)上的滑动通孔与环形安装槽(140)相通；所述的机械臂安装接口(4)安装在中间支撑板(3)的下表面处，并与空间机械臂连接；所述动力传输机构(5)的动力输出端转动套装在中心安装槽(150)外，并处于环形安装槽(140)内；

所述的一级主动锁紧单元(6)包括由内至外依次设置、并依次传递动力的动力传输组件(610)、分度环组件(620)和楔环组件(630)，所述的动力传输组件(610)和分度环组件(620)安装在环形安装槽(140)内，并依次套在动力传输机构(5)的动力输出端；动力传输组件(610)的动力输入端与动力传输机构(5)的动力输出端抵接设置，动力传输组件(610)的动力输出端与分度环组件(620)的动力输入端抵接设置，动力传输组件(610)将动力传输机构(5)提供的轴向驱动力传递给分度环组件(620)的动力输出端；所述的楔环组件(630)安装在环形插装槽(160)内，楔环组件(630)的动力输入端穿过装配定位壳(1)中环形安装槽(140)上的滑动通孔并抵接在分度环组件(620)上，所述的分度环组件(620)对楔环组件(630)的动力输入端具有锁定作用，楔环组件(630)的动力输入端通过分度环组件(620)中动力输出端的轴向运动而实现解锁或再次锁定，通过楔环组件(630)的轴向运动而实现主动对接锁紧模块(A)与被动对接锁紧模块(B)的一级锁紧；

所述的二级主动锁紧单元(8)安装在中心安装槽(150)内，并在动力传输机构(5)的驱动下实现轴向移动，实现二级主动锁紧单元(8)与二级被动锁紧单元(9)的对接锁紧，进而实现主动对接锁紧模块(A)与被动对接锁紧模块(B)的二级锁紧。

2.根据权利要求1所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述装配定位壳(1)的顶部与对接外壳(12)的顶部均为花瓣状结构，且二者相互配合实现快速定位。

3.根据权利要求1所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述的动力传输机构(5)包括作为动力输出端的环状凸轮(530)；

所述的环状凸轮(530)包括由上至下依次设置并一体连接的上导向环(531)、中间导向环(532)和下定位环(533)；所述的上导向环(531)上沿其圆周方向均匀设置有多个三角形的导向凸起(534)，所述导向凸起(534)的凸起方向朝向下定位环(533)延伸，导向凸起(534)两侧的斜坡面与上导向环(531)的下端面形成依次相连的水平导向段一(535)、爬坡段(536)、下坡段(537)和水平导向段二(538)；所述的中间导向环(532)上沿圆周方向均匀开有若干个导向孔(539)，每个导向孔(539)包括依次相连通的水平段(5391)和斜坡驱动段(5392)；所述环状凸轮(530)上的上导向环(531)、导向凸起(534)和下定位环(533)作为一级主动锁紧单元(6)的驱动；所述中间导向环(532)上的导向孔(539)作为二级主动锁紧单元(8)的驱动。

4.根据权利要求3所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述的动力传输组件(610)包括由上至下依次设置的适配环(611)和强迫环(612)，所述的适配环(611)和强迫环(612)之间通过沿圆周方向均匀设置的若干根导向销(613)进行连接，所述的适配环(611)沿着导向销(613)的轴线方向进行上下移动，每根导向销(613)上套有一根小弹簧(614)，用于适配环(611)的归位；所述适配环(611)的内环壁上和强迫环(612)的内环壁上沿圆周方向分别均匀设置有若干个第一凸轮滚子(615)，处于强迫环(612)上的第一凸轮滚子(615)抵接在环状凸轮(530)中下定位环(533)的上表面处，处于适配环(611)上的第一凸轮滚子(615)抵接在环状凸轮(530)中的水平导向段一(535)的下表面处，并靠近导向凸起(534)处设置；所述适配环(611)的外环壁上沿圆周方向均匀设置有若干个第二凸轮滚子(616)，所述的第二凸轮滚子(616)抵接在分度环组件(620)的动力输入端上。

5.根据权利要求4所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述的分度环组件(620)包括分度环(621)、大弹簧(623)、导向驱动环(624)和上环形盖(625)；所述的大弹簧(623)和导向驱动环(624)轴向依次安装在分度环(621)内，大弹簧(623)的底端抵接在分度环(621)的底部，大弹簧(623)的顶端抵接在导向驱动环(624)上，所述的导向驱动环(624)与分度环(621)轴向滑动连接；所述的上环形盖(625)安装在分度环(621)的顶部，并将导向驱动环(624)固定在分度环(621)内；

所述的分度环(621)上沿着圆周方向均匀开有若干个贯穿于内外表面的第一滑槽(6211)，每个第一滑槽(6211)沿着分度环(621)的轴线方向进行布置；所述分度环(621)的外圆周壁上均匀设置有若干个挡片(6212)，所述的挡片(6212)将其中一部分第一滑槽(6211)的上半部遮挡住，并形成短滑槽；相邻的两个挡片(6212)间形成间隙，并与另一部分的第一滑槽(6211)相通，作为长滑槽使用；所述的短滑槽与长滑槽交替设置；所述挡片(6212)的底端设置成带有凹口(6213)的导向坡；

所述导向驱动环(624)的外圆周壁上沿着圆周方向垂直设置有若干个导向杆(6241)，所述导向杆(6241)的数量与第一滑槽(6211)的数量相同，导向杆(6241)滑动设置在第一滑槽(6211)内；所述动力传输组件(610)中的第二凸轮滚子(616)抵接在导向驱动环(624)的上表面处。

6.根据权利要求5所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述的楔环组件(630)包括第二环形外壳(631)、若干个锁紧销(632)、锁紧销楔环(633)、若干个第三凸轮滚子(634)、若干个上支撑弹簧(635)和若干个下支撑弹簧(636)；所述的锁紧销楔环(633)同轴安装在第二环形外壳(631)的内壁处，并与第二环形外壳(631)轴向滑动连接，第二环形外壳(631)的顶部、锁紧销楔环(633)上表面与装配定位壳(1)的外壁形成环形腔体，所述的锁紧销(632)沿着圆周方向均匀设置在环形腔体内；若干个所述的第三凸轮滚子(634)沿着锁紧销楔环(633)的圆周方向均匀设置在锁紧销楔环(633)的内环壁上，第三凸轮滚子(634)穿过装配定位壳(1)上的第一滑动通孔(121)并抵接在挡片(6212)的凹口(6213)处；若干个所述的上支撑弹簧(635)沿着第二环形外壳(631)的圆周方向均匀设置在第二环形外壳(631)内，并处于锁紧销楔环(633)的底端与第二环形外壳(631)底部之间的位置处；若干个所述的下支撑弹簧(636)沿着环形插装槽(160)的圆周方向均匀设置在环形插装槽(160)内，并处于第二环形外壳(631)的底端与装配定位壳(1)的底端之间；所述的上支撑弹簧(635)和下支撑弹簧(636)处于压缩状态。

7.根据权利要求6所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述锁紧销楔环(633)的顶端由上至下依次设置有上坡面和下坡面，所述的上坡面和下坡面均向下倾斜。

8.根据权利要求3所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述的主动对接锁紧模块(A)还包括安装在中心安装槽(150)内的主动端流体传输与电接头单元(10)，主动端流体传输与电接头单元(10)上沿其圆周方向安装有若干个第四凸轮滚子(101)，所述的第四凸轮滚子(101)穿过装配定位壳(1)上的第二滑动通孔(111)并插装在环状凸轮(530)中的导向孔(539)中；所述的被动对接锁紧模块(B)还包括安装在对接外壳凹口内的被动端流体传输与电接头单元(11)，通过环状凸轮(530)的旋转带动主动端流体传输与电接头单元(10)朝向被动端流体传输与电接头单元(11)移动，进而实现主动端流体传输与电接头单元(10)与被动端流体传输与电接头单元(11)的对接。

9.根据权利要求8所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述的二级主动锁紧单元(8)为永磁失电制动器，二级被动锁紧单元(9)为环形衔铁。

10.根据权利要求9所述的一种主被动端接口同构式快换装置，其特征在于：所述的永磁失电制动器设置在主动端流体传输与电接头单元(10)的中心位置；所述的环形衔铁套装在被动端流体传输与电接头单元(11)的中心位置。