CN117262253A - 一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口和快换方法 - Google Patents

Abstract

一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口和快换方法，属于空间在轨服务技术领域。为了解决现有的空间对接接口体积、尺寸较大，结构复杂的问题。本发明包括主动锁紧机构和被动锁紧机构；所述的主动锁紧机构包括支撑壳体、轴系驱动组件、锁紧组件和回复组件；所述的回复组件、锁紧组件和轴系驱动组件采用套叠的方式由内至外依次同轴设置在支撑壳体内，所述的被动锁紧机构从支撑壳体的顶部伸入到锁紧组件内，并抵接在回复组件的顶部；锁紧组件在轴系驱动组件的驱动作用下对被动锁紧机构进行锁紧，所述的回复组件用于被动锁紧机构在解锁时的弹出。本发明主要用于空间机器人与空间载荷的对接。

Description

一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口和快换方法

技术领域

本发明属于空间在轨服务技术领域，涉及一种接口，具体是指一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口和快换方法。

背景技术

空间在轨服务技术是当今世界各国竞相竞争的高地，也是衡量一个国家综合国力的重要标志。空间操控是空间在轨服务技术的重要能力，因其能代替人类完成空间站的组装、装配与维护维修、轨道垃圾清理、太空资产维护，以及抓捕、释放、回收卫星等高度复杂的任务，所以对其技术的研究与开发一直是航天科技大国关注的热点。

在轨服务任务中，被捕获的目标航天器大部分为合作目标。即合作目标具有合作性，它们通常安装有用于测量的特征和机械臂抓持或对接的装置。然而通常的机器人末端手爪装置和抓捕手柄通常体积、尺寸较大，例如中国专利“CN102514015A”公开的“三指形抓捕定位机构”，整体体积较大，这极大地限制了其使用条件。随着对体积、尺寸和质量较小接口的迫切需求，开发通用的体积、尺寸和质量较小的适用于在轨操控的标准接口技术已迫在眉睫，也是在轨服务的一项关键技术，存在着巨大挑战。

发明内容

本发明为了解决现有的空间对接接口体积、尺寸较大，结构复杂的问题；进而提供一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口和快换方法。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，包括主动锁紧机构和被动锁紧机构；所述的主动锁紧机构包括支撑壳体、轴系驱动组件、锁紧组件和回复组件；所述的回复组件、锁紧组件和轴系驱动组件采用套叠的方式由内至外依次同轴设置在支撑壳体内，所述的被动锁紧机构从支撑壳体的顶部伸入到锁紧组件内，并抵接在回复组件的顶部；锁紧组件在轴系驱动组件的驱动作用下对被动锁紧机构进行锁紧，所述的回复组件用于被动锁紧机构在解锁时的弹出；

所述的轴系驱动组件包括有作为驱动端的丝杠轴，所述的丝杠轴为内截面尺寸由上至下逐渐增加的筒状结构；所述的锁紧组件包括锁定钢球和锁定钢球支架，在锁定钢球支架上靠近上端口的位置处周向开有若干个球窝，每个球窝内容纳一个锁定钢球，锁定钢球的两侧分别凸出于锁定钢球支架的内、外壁；所述的锁定钢球支架同轴设置在丝杠轴内，并固定安装在支撑壳体的底部；所述的被动锁紧机构包括接口导向头，接口导向头由下至上分为导向对接段和定位锁紧段，所述的导向对接段呈圆台形，具有导向作用；所述的定位锁紧段是在接口导向头的外圆周壁上开的一圈凹口获得；所述的丝杠轴在轴向向下移动的过程中，丝杠轴的内壁对锁定钢球产生径向的驱动力，锁定钢球插入到接口导向头的定位锁紧段内，实现主动锁紧机构对被动锁紧机构的锁紧。

优选地，所述支撑壳体的顶部中心位置处开有一个插孔，用于被动锁紧机构的插入；所述的支撑壳体内同轴设置有一个中心支撑套，中心支撑套与支撑壳体的底部形成一个安装腔，并作为轴承座来使用。

优选地，所述的轴系驱动组件还包括直流无刷电机、电机转子轴、丝杠螺母、直线轴承和两对滚动轴承；所述的直流无刷电机和电机转子轴由内至外依次套装在中心支撑套上，且电机转子轴通过上下并排设置的两个滚动轴承转动安装在支撑壳体内；所述的丝杠螺母固定安装在电机转子轴的顶部，并在电机转子轴的驱动下绕电机转子轴的中轴线进行旋转；所述丝杠轴的下端通过直线轴承滑动安装在安装腔内，丝杠轴的上端从中心支撑套上端的开口伸出并朝向支撑壳体顶部的插孔处延伸，丝杠轴的顶端与支撑壳体的顶壁之间留有活动间隙，用于丝杠轴的轴向移动；所述的丝杠螺母与丝杠轴螺接在一起，并组成梯形丝杠副，丝杠轴在丝杠螺母的旋转运动下沿着自身的轴线方向进行移动。

优选地，所述的直流无刷电机包括电机定子和电机转子，所述的电机定子套装在中心支撑套上，所述电机转子的外环壁与电机转子轴的内环壁连接。

优选地，所述丝杠轴上半段的外环壁上开有外螺纹，用于与丝杠螺母的螺纹连接，丝杠轴下半段的外环壁为光滑段，并插在直线轴承内。

优选地，所述丝杠轴的内环壁由上至下包括有锁紧段、导向段和直筒段，所述锁紧段的内截面尺寸由上至下逐渐增加，导向段的内截面尺寸由上至下逐渐增加，锁紧段的坡度大于导向段的坡度。

优选地，所述电机转子轴的外环壁上同轴设置有两个台阶，分别设为上台阶和下台阶；所述的上台阶和下台阶与支撑壳体的内壁之间形成两个轴承座，并分别用于固定两个滚动轴承。

优选地，所述的回复组件包括导向柱和回复弹簧；所述导向柱的一端插在锁定钢球支架的底壁上，并沿着锁定钢球支架的轴线方向上下移动；所述的回复弹簧套在导向柱上，回复弹簧的底端抵接在锁定钢球支架的底壁上，回复弹簧的上端抵接在导向柱顶端的抵接面上。

优选地，所述的被动锁紧机构还包括接口定位块，所述的接口定位块固定安装在接口导向头的顶部，并采用V型设计，与支撑壳体顶部开的V形槽相配合，实现被动锁紧机构和主动锁紧机构锁紧时角度的定位。

一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口的快换方法，具体对接过程如下：

S1，准备阶段：

启动直流无刷电机，并将旋转扭矩通过电机转子轴传递给丝杠螺母，丝杠轴在丝杠螺母的作用下向上移动，直至丝杠轴的顶端抵接在支撑壳体的顶部，锁定钢球处于锁定钢球支架外的一侧抵接在丝杠轴的内侧壁上；

S2，对接锁紧阶段：

S21，空间机械臂带动主动锁紧机构朝向被动锁紧机构侧移动，被动锁紧机构中的接口导向头从支撑壳体的顶部插入到锁定钢球支架内，并抵接在回复组件的顶部，接口导向头继续向下运动，回复组件蓄存一定的预紧力；直至接口导向头的定位锁紧段正对球窝处；

S22，再次启动直流无刷电机，并将旋转扭矩通过电机转子轴传递给丝杠螺母，丝杠轴在丝杠螺母的作用下向下移动；丝杠轴对锁定钢球产生径向方向的挤压力，随着丝杠轴下移的距离增加，锁定钢球在球窝内逐渐朝向锁定钢球支架的内侧壁侧移动，并伸入到接口导向头的定位锁紧段中，实现被动锁紧机构的锁紧；

S3，解锁释放阶段：

S31，启动直流无刷电机，并将旋转扭矩通过电机转子轴传递给丝杠螺母，丝杠轴在丝杠螺母的作用下向上移动；丝杠轴不再对锁定钢球产生抵接力，并为锁定钢球的移出提供空间；

S32，被动锁紧机构中的接口导向头在回复组件的预紧力下向上运动，接口导向头的定位锁紧段的锥面对锁定钢球产生挤压力，锁定钢球在球窝内逐渐朝向锁定钢球支架的外侧壁侧移动，并逐渐从接口导向头的定位锁紧段中移除，不再对接口导向头产生锁紧的作用，从而实现主动锁紧机构对被动锁紧机构的释放。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明中的主动锁紧机构采用完全套叠的方式进行安装，在缩小整体尺寸的同时，还可以利用轴系驱动组件对锁紧组件产生驱动作用，使得锁紧组件中的锁定钢球向内运动，并对被动锁紧机构中的接口导向头产生锁紧作用，实现了主动锁紧机构与被动锁紧机构的锁紧，进而实现了空间机器人机械臂与载荷的快速对接。

2、本发明采用丝杠副的形式作为驱动部件，利用丝杠轴变截面的内壁对锁定钢球进行驱动与锁定，无需能量的继续输出，具有自锁功能。

3、本发明的整体体积、尺寸和质量较小，满足空间对轻质化的使用要求，并且是一种空间在轨操控的理想接口，尤其适用于在轨插拔、装配等对空间要求苛刻的在轨操控任务。

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为自锁式载荷快换接口的轴测图；

图2为自锁式载荷快换接口的俯视图；

图3为图2中A-A处的剖面图；

图4为图2中B-B处的剖面图；

图5为被动锁紧机构插入主动锁紧机构的状态示意图；

图6为支撑壳体的结构示意图；

图7为轴系驱动组件的结构示意图；

图8为锁紧组件、回复组件与接口导向头的装配图；

图9为V形的接口定位块与顶部支撑盖上的V形槽配合的示意图。

附图标记说明：1-主动锁紧机构；2-被动锁紧机构；11-支撑壳体；12-轴系驱动组件；13-锁紧组件；14-回复组件；21-接口导向头；22-接口定位块；

111-顶部支撑盖；112-环形支撑外壳；113-底部支撑板；114-底部密封板；121-直流无刷电机；122-电机转子轴；123-丝杠螺母；124-丝杠轴；125-直线轴承；126-滚动轴承；131-锁定钢球；132-锁定钢球支架；141-导向柱；142-回复弹簧；211-导向对接段；212-定位锁紧段；

1111-插孔；1112-V形槽；1113-凸起；1121-支撑台阶；1131-中心支撑套；1132-安装腔；1211-电机定子；1212-电机转子；1221-上台阶；1222-下台阶；1241-锁紧段；1242-导向段；1243-直筒段；1321-球窝。

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。

实施例1：

本实施例是为了解决现有的空间对接接口体积、尺寸较大，结构复杂的问题，提供一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，参见图1至图9，所述的快换接口包括主动锁紧机构1和被动锁紧机构2；所述的主动锁紧机构1通过止口定位和螺接的方式安装于空间机器人机械臂的末端，被动锁紧机构2安装在载荷上，空间机器人通过控制主动锁紧机构1对被动锁紧机构2的捕获和释放，从而便于实现空间机器人对载荷的在轨操控。

所述的主动锁紧机构1包括支撑壳体11、轴系驱动组件12、锁紧组件13和回复组件14；所述的回复组件14、锁紧组件13和轴系驱动组件12采用套叠的方式由内至外依次同轴设置在支撑壳体11内，所述的被动锁紧机构2从支撑壳体11的顶部伸入到锁紧组件13内，并抵接在回复组件14的顶部；锁紧组件13在轴系驱动组件12的驱动作用下对被动锁紧机构2进行锁紧，所述的回复组件14用于被动锁紧机构2在解锁时的弹出。

参见图6，所述的支撑壳体11包括顶部支撑盖111、环形支撑外壳112、底部支撑板113和底部密封板114，所述的顶部支撑盖111、环形支撑外壳112、底部支撑板113和底部密封板114由上至下依次设置并整体形成一个安装腔，所述的轴系驱动组件12、锁紧组件13和回复组件14处于此安装腔内。

进一步的，如图6所示，所述顶部支撑盖111的中心位置处开有一个插孔1111，用于被动锁紧机构2的插入；所述的顶部支撑盖111上径向开有一个与插孔1111相连通的V形槽1112，用于主动锁紧机构1和被动锁紧机构2锁紧时的导向和定位；所述顶部支撑盖111的下端面设置有一圈一体制成的凸起1113，所述的凸起1113与环形支撑外壳112的内壁之间形成轴肩，用于轴承的固定。

进一步的，如图6所示，所述环形支撑外壳112的内环壁上靠近底部的位置处设置有一圈支撑台阶1121，用于轴承的支撑与固定；所述的环形支撑外壳112与支撑台阶1121一体制成。

进一步的，如图6所示，所述底部支撑板113上表面的中心位置处设置有一个上下开口的中心支撑套1131，底部密封板114安装在底部支撑板113的下表面处，并将中心支撑套1131底部的开口封堵上，底部密封板114与中心支撑套1131之间形成一个安装腔1132，并作为轴承座来使用，用于安装直线轴承。

参见图7，所述的轴系驱动组件12包括均为筒状结构的直流无刷电机121、电机转子轴122、丝杠螺母123、丝杠轴124、直线轴承125和两对滚动轴承126；所述的直流无刷电机121和电机转子轴122由内至外依次套装在中心支撑套1131上，且电机转子轴122通过上下并排设置的两个滚动轴承126转动安装在环形支撑外壳112内；所述的丝杠螺母123通过止口定位和螺接的方式固定安装在电机转子轴122的顶部，并在电机转子轴122的驱动下可以绕电机转子轴122的中轴线进行旋转；所述丝杠轴124的下端通过直线轴承125滑动安装在底部密封板114与中心支撑套1131所形成的安装腔1132内，丝杠轴124的上端从中心支撑套1131上端的开口伸出并朝向顶部支撑盖111处延伸，丝杠轴124的顶端与顶部支撑盖111之间留有一定的活动间隙，用于丝杠轴124的轴向移动；所述的丝杠螺母123与丝杠轴124螺接在一起，并组成梯形丝杠副(梯形丝杠副具有自锁特性)，丝杠轴124在丝杠螺母123的旋转运动下沿着自身的轴线方向进行移动。

进一步的，如图7所示，所述的直流无刷电机121包括电机定子1211和电机转子1212，所述的电机定子1211套装在中心支撑套1131上，具体可通过胶结或平键的方式进行实现，保证电机定子1211的位置固定不动；所述电机转子1212的外环壁与电机转子轴122的内环壁连接，具体可通过胶结或平键的方式进行实现，电机转子1212可向电机转子轴122传递旋转扭矩；电机定子1211和电机转子1212组成分体式内定子、外转子的直流无刷电机，减小整个主动锁紧机构1的尺寸，实现小型化的目的。

进一步的，如图7所示，所述电机转子轴122的外环壁上同轴设置有两个台阶，分别设为上台阶1221和下台阶1222；所述上台阶1221与顶部支撑盖111下端的环形凸起1113构成一个轴承支撑座，其中一个滚动轴承126通过上台阶1221与环形凸起1113进行固定，所述的上台阶1221用于支撑滚动轴承126的内圈，环形凸起1113用于固定滚动轴承126的外圈，在滚动轴承126的外圈与环形凸起1113之间设置有一个轴承垫圈，实现对滚动轴承126预紧力的控制；所述的下台阶1222与环形支撑外壳112上的支撑台阶1121构成一个轴承支撑座，另一个滚动轴承126通过下台阶1222与支撑台阶1121进行固定，所述的下台阶1222用于支撑滚动轴承126的内圈，支撑台阶1121用于固定滚动轴承126的外圈；本实施例中，并没有在环形支撑外壳112内为每一个滚动轴承126单独设置轴承座，而是在顶部支撑盖111、环形支撑外壳112和电机转子轴122的配合下实现固定，减小了整个主动锁紧机构1的尺寸，实现小型化的目的。

进一步的，如图7所示，所述丝杠轴124上半段的外环壁上开有外螺纹，用于与丝杠螺母123的螺纹连接，丝杠轴124下半段的外环壁为光滑段并插在直线轴承125内，通过直线轴承125对丝杠轴124进行径向限制，实现对丝杠轴124的定位和导向，保证丝杠轴124的中轴线始终与被动锁紧机构2的中轴线重合；同时，丝杠轴124的下半段与直线轴承125为滑动连接，产生滚动摩擦力，丝杠轴124光滑面的设计，减小丝杠轴124在轴向移动过程中所受的摩擦力，保证丝杠轴124可以顺利上下移动及可提高运动效率。

所述丝杠轴124的内环壁由上至下包括有锁紧段1241、导向段1242和直筒段1243，所述锁紧段1241的内截面尺寸由上至下逐渐增加，导向段1242的内截面尺寸由上至下逐渐增加，锁紧段1241的坡度大于导向段1242的坡度，丝杠轴124的内壁通过不同段面的设计对锁紧组件13产生驱动力，实现锁紧组件13对被动锁紧机构2的锁紧功能。

本实施例中，轴系驱动组件12采用筒状结构的直流无刷电机121、电机转子轴122、丝杠螺母123和丝杠轴124，整体采用套叠的方式进行安装与传递扭矩，降低了整个轴系驱动组件12的尺寸，实现小型化的目的。

本实施例中，直流无刷电机121上电，并带动电机转子轴122转动，电机转子轴122带动丝杠螺母123转动，丝杠轴124在丝杠螺母123的作用下沿着自身的轴线方向上下移动，通过丝杠轴124内的锁紧段1241和导向段1242对锁紧组件13中的锁定钢球131施加抵接力或者释放抵接力，完成锁紧组件13对被动锁紧机构2的锁紧或者释放。

参见图8，所述的锁紧组件13包括锁定钢球131和锁定钢球支架132，所述的锁定钢球支架132为桶状结构，在锁定钢球支架132上靠近上端口的位置处周向开有若干个球型的球窝1321，每个球窝1321内容纳一个锁定钢球131，锁定钢球131的两侧分别凸出于锁定钢球支架132的内、外壁，并在球窝1321的限位下防止其从锁定钢球支架132的内侧逃逸；锁定钢球支架132的底端开有一个通孔，用于回复组件14的安装；所述的锁定钢球支架132同轴设置在丝杠轴124内，并通过止口定位和螺接的方式与底部密封板114连接保持固定不动；其中，所述的锁定钢球131靠近丝杠轴124的锁紧段1241和导向段1242处。

进一步的，所述球窝1321的口径尺寸由锁定钢球支架132外侧壁至内侧壁侧逐渐减小；锁定钢球131的直径大于球窝1321处于锁定钢球支架132内侧壁处的口径尺寸，防止锁定钢球131被丝杠轴124挤压出锁定钢球支架132的球窝1321；锁定钢球131的直径小于球窝1321处于锁定钢球支架132外侧壁处的口径尺寸，利于锁定钢球131沿着锁定钢球支架132的径向方向的移动。

本实施例中，在被动锁紧机构2未插入到主动锁紧机构1内时，丝杠轴124的顶端抵接在支撑壳体11的顶部支撑盖111的下端面处，锁定钢球131处于锁定钢球支架132外的一侧抵接在丝杠轴124的导向段1242上，丝杠轴124在轴向向下移动的过程中，丝杠轴124与锁定钢球131的接触面由导向段1242过渡到锁紧段1241，由于锁紧段1241的内截面尺寸变小，故对锁定钢球131产生径向方向的挤压力，随着丝杠轴124下移的距离增加，锁定钢球131逐渐朝向锁定钢球支架132的内侧壁侧移动，并对被动锁紧机构2进行锁紧。

本实施例中，由于锁紧组件13安装在丝杠轴124内，锁紧组件13与丝杠轴124的配合方式，使得丝杠轴124仅上下移动较小距离即可实现驱动作用，对支撑壳体11内的空间尺寸要求较小；同时，锁紧组件13安装在丝杠轴124内，没有额外增加安装体积，整体的体积较小，实现小型化的目的。

参见图8，所述的回复组件14包括导向柱141和回复弹簧142；所述导向柱141的一端开有外螺纹，另一端设置有抵接面；导向柱141的螺纹端穿过锁定钢球支架132底端的通孔并与一个螺母锁紧，导向柱141与锁定钢球支架132为间隙配合，可采用固体润滑，并沿着锁定钢球支架132的轴线方向上下移动；所述的回复弹簧142为压缩弹簧，回复弹簧142套在导向柱141上，回复弹簧142的底端抵接在锁定钢球支架132的底壁上，回复弹簧142的上端抵接在导向柱141的抵接面上。当回复弹簧142处于自由状态时，螺母与锁定钢球支架132形成机械限位。

本实施例中，在主动锁紧机构1和被动锁紧机构2处于锁紧状态时，回复组件14中的回复弹簧142处于压缩蓄力的状态，当丝杠轴124不再对锁紧组件13中的锁定钢球131产生驱动力的情况下，锁定钢球131处于自由状态，回复弹簧142释放弹力，并通过导向柱141对被动锁紧机构2产生向上的推力，被动锁紧机构2被弹出主动锁紧机构1。

参见图3、图4、图5和图9，所述的被动锁紧机构2包括接口导向头21和接口定位块22，所述的接口定位块22通过螺钉固定安装在接口导向头21的顶部；所述的接口导向头21为圆柱状结构，接口导向头21由下至上分为导向对接段211和定位锁紧段212，所述的导向对接段211呈圆台形，由上至下截面面积逐渐减小，方便接口导向头21的快速插入，接口导向头21的最底面为平面，在被动锁紧机构2完全插入到主动锁紧机构1内时，接口导向头21的最底面抵接在导向柱141的顶部；所述的定位锁紧段212是在接口导向头21的外圆周壁上开的一圈凹口获得，凹口的两侧为锥面，在被动锁紧机构2从主动锁紧机构1中弹出时，定位锁紧段212的锥面对锁定钢球131产生推力作用，使得锁定钢球131复位，即锁定钢球131由锁定钢球支架132的内侧向外侧移动；接口导向头21中部为特殊设计的锥面，用来配合锁定钢球133进行锁紧。所述的接口定位块22采用V型设计，并与顶部支撑盖111上的V形槽1112相配合，实现被动锁紧机构2和主动锁紧机构1锁紧时角度的定位。

本实施例中，所述的接口导向头21尺寸较小，结构简单，仅利用自身的定位锁紧段212即可与锁定钢球131实现锁紧定位的作用。

本实施例中，在被动锁紧机构2插入到主动锁紧机构1的过程中，在接口定位块22与V形槽1112完全对接后，可以确定接口导向头21已经完全插入到锁定钢球支架132内，然后再驱动轴系驱动组件12中的丝杠轴124对锁紧组件13中的锁定钢球131产生径向驱动力，使得锁定钢球131插入到接口导向头21的定位锁紧段212中，实现锁紧。

实施例2：

本实施例为了更好的说明快换接口的对接过程，提供一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口的快换方法，具体对接过程如下：

S1，准备阶段：

利用轴系驱动组件12中的直流无刷电机121驱动电机转子轴122转动，电机转子轴122带动丝杠螺母123转动，丝杠螺母123带动丝杠轴124向上移动，直至丝杠轴124的顶端抵接在支撑壳体11的顶部支撑盖111的下端面处，锁定钢球131处于锁定钢球支架132外的一侧并抵接在丝杠轴124的导向段1242上；

S2，对接锁紧阶段：

S21，空间机械臂带动主动锁紧机构1朝向被动锁紧机构2侧移动，被动锁紧机构2中的接口导向头21从顶部支撑盖111上的插孔1111插入到锁定钢球支架132内(如图5所示)，在接口导向头21的导向对接段211的导引下继续运动，接口导向头21头部的导向对接段211滑过锁定钢球131并抵接在回复组件14中的导向柱141的顶部，接口导向头21继续向下运动，回复弹簧142逐渐被压缩，直至接口导向头21的定位锁紧段212正对球窝1321处，此时锁定钢球131处于锁定钢球支架132的球窝1321、丝杠轴124的导向段1242以及接口导向头21的定位锁紧段212的包围中，并处于自由状态(如图3所示)；随着接口导向头21的插入，同时转动主动锁紧机构1，使得V形的接口定位块22与顶部支撑盖111上的V形槽1112完全对接，实现主动锁紧机构1与被动锁紧机构2的定位定姿；

S22，启动直流无刷电机121，直流无刷电机121中的电机转子驱动电机转子轴122绕自身的中轴线转动，电机转子轴122带动丝杠螺母123转动，由于丝杠螺母123与丝杠轴124构成丝杠螺母副，在丝杠螺母123旋转的作用下，丝杠轴124在直线轴承125的导向下轴向向下移动；

S23，丝杠轴124在轴向向下移动的过程中，丝杠轴124与锁定钢球131的接触面由导向段1242过渡到锁紧段1241，由于锁紧段1241的内截面尺寸变小，故对锁定钢球131产生径向方向的挤压力，随着丝杠轴124下移的距离增加，锁定钢球131在球窝1321内逐渐朝向锁定钢球支架132的内侧壁侧移动，并伸入到接口导向头21的定位锁紧段212中，此时锁定钢球131的一部分处于锁定钢球支架132的球窝1321中，一部分处于接口导向头21的定位锁紧段212中；由于接口导向头21的定位锁紧段212为向内凹陷的结构形式，在锁定钢球131的作用下，接口导向头21无法轴向移动，实现被动锁紧机构2的锁紧；与此同时，处于压缩状态的回复弹簧142通过导向柱141给主动锁紧机构1与被动锁紧机构2捕获、锁紧后的组合体提供一定的预紧力。

S3，解锁释放阶段：

S31，启动直流无刷电机121，直流无刷电机121中的电机转子驱动电机转子轴122绕自身的中轴线反向转动，电机转子轴122带动丝杠螺母123反向转动，由于丝杠螺母123与丝杠轴124构成丝杠螺母副，在丝杠螺母123旋转的作用下，丝杠轴124在直线轴承125的导向下轴向向上移动；

S32，丝杠轴124在轴向向上移动的过程中，丝杠轴124与锁定钢球131的接触面由锁紧段1241过渡到导向段1242，在丝杠轴124向上移动的过程中，丝杠轴124的内截面尺寸逐渐变大，丝杠轴124不再对锁定钢球131产生抵接力，并为锁定钢球131的移出提供空间；

S33，被动锁紧机构2中的接口导向头21在导向柱141以及回复弹簧142的预紧力下持续向上运动，由于丝杠轴124不再对锁定钢球131产生抵接力，接口导向头21的定位锁紧段212的锥面对锁定钢球131产生挤压力，锁定钢球131在球窝1321内逐渐朝向锁定钢球支架132的外侧壁侧移动，并逐渐从接口导向头21的定位锁紧段212中移除，不再对接口导向头21产生锁紧的作用；在此过程中，当锁定钢球131滑过接口导向头21的导向对接段211时，回复弹簧142的预紧力消失，回复弹簧142恢复为自由状态，主动锁紧机构1与被动锁紧机构2完成脱离，从而实现主动锁紧机构1对被动锁紧机构2的释放。

本申请中的主动锁紧机构1采用完全套叠的方式进行安装，在缩小整体尺寸的同时，还可以利用轴系驱动组件12对锁紧组件13产生驱动作用，使得锁紧组件13中的锁定钢球131向内运动，并对被动锁紧机构2中的接口导向头21产生锁紧作用，实现了主动锁紧机构1与被动锁紧机构2的锁紧，进而实现了空间机器人机械臂与载荷的快速对接。

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)

1.一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：包括主动锁紧机构(1)和被动锁紧机构(2)；所述的主动锁紧机构(1)包括支撑壳体(11)、轴系驱动组件(12)、锁紧组件(13)和回复组件(14)；所述的回复组件(14)、锁紧组件(13)和轴系驱动组件(12)采用套叠的方式由内至外依次同轴设置在支撑壳体(11)内，所述的被动锁紧机构(2)从支撑壳体(11)的顶部伸入到锁紧组件(13)内，并抵接在回复组件(14)的顶部；锁紧组件(13)在轴系驱动组件(12)的驱动作用下对被动锁紧机构(2)进行锁紧，所述的回复组件(14)用于被动锁紧机构(2)在解锁时的弹出；

所述的轴系驱动组件(12)包括有作为驱动端的丝杠轴(124)，所述的丝杠轴(124)为内截面尺寸由上至下逐渐增加的筒状结构；

所述的锁紧组件(13)包括锁定钢球(131)和锁定钢球支架(132)，在锁定钢球支架(132)上靠近上端口的位置处周向开有若干个球窝(1321)，每个球窝(1321)内容纳一个锁定钢球(131)，锁定钢球(131)的两侧分别凸出于锁定钢球支架(132)的内、外壁；所述的锁定钢球支架(132)同轴设置在丝杠轴(124)内，并固定安装在支撑壳体(11)的底部；

所述的被动锁紧机构(2)包括接口导向头(21)，接口导向头(21)由下至上分为导向对接段(211)和定位锁紧段(212)，所述的导向对接段(211)呈圆台形，具有导向作用；所述的定位锁紧段(212)是在接口导向头(21)的外圆周壁上开的一圈凹口获得；

所述的丝杠轴(124)在轴向向下移动的过程中，丝杠轴(124)的内壁对锁定钢球(131)产生径向的驱动力，锁定钢球(131)插入到接口导向头(21)的定位锁紧段(212)内，实现主动锁紧机构(1)对被动锁紧机构(2)的锁紧。

2.根据权利要求1所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：所述支撑壳体(11)的顶部中心位置处开有一个插孔(1111)，用于被动锁紧机构(2)的插入；所述的支撑壳体(11)内同轴设置有一个中心支撑套(1131)，中心支撑套(1131)与支撑壳体(11)的底部形成一个安装腔(1132)，并作为轴承座来使用。

3.根据权利要求2所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：所述的轴系驱动组件(12)还包括直流无刷电机(121)、电机转子轴(122)、丝杠螺母(123)、直线轴承(125)和两对滚动轴承(126)；所述的直流无刷电机(121)和电机转子轴(122)由内至外依次套装在中心支撑套(1131)上，且电机转子轴(122)通过上下并排设置的两个滚动轴承(126)转动安装在支撑壳体(11)内；所述的丝杠螺母(123)固定安装在电机转子轴(122)的顶部，并在电机转子轴(122)的驱动下绕电机转子轴(122)的中轴线进行旋转；所述丝杠轴(124)的下端通过直线轴承(125)滑动安装在安装腔(1132)内，丝杠轴(124)的上端从中心支撑套(1131)上端的开口伸出并朝向支撑壳体(11)顶部的插孔(1111)处延伸，丝杠轴(124)的顶端与支撑壳体(11)的顶壁之间留有活动间隙，用于丝杠轴(124)的轴向移动；所述的丝杠螺母(123)与丝杠轴(124)螺接在一起，并组成梯形丝杠副，丝杠轴(124)在丝杠螺母(123)的旋转运动下沿着自身的轴线方向进行移动。

4.根据权利要求3所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：所述的直流无刷电机(121)包括电机定子(1211)和电机转子(1212)，所述的电机定子(1211)套装在中心支撑套(1131)上，所述电机转子(1212)的外环壁与电机转子轴(122)的内环壁连接。

5.根据权利要求3所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：所述丝杠轴(124)上半段的外环壁上开有外螺纹，用于与丝杠螺母(123)的螺纹连接，丝杠轴(124)下半段的外环壁为光滑段，并插在直线轴承(125)内。

6.根据权利要求3所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：所述丝杠轴(124)的内环壁由上至下包括有锁紧段(1241)、导向段(1242)和直筒段(1243)，所述锁紧段(1241)的内截面尺寸由上至下逐渐增加，导向段(1242)的内截面尺寸由上至下逐渐增加，锁紧段(1241)的坡度大于导向段(1242)的坡度。

7.根据权利要求3所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：所述电机转子轴(122)的外环壁上同轴设置有两个台阶，分别设为上台阶(1221)和下台阶(1222)；所述的上台阶(1221)和下台阶(1222)与支撑壳体(11)的内壁之间形成两个轴承座，并分别用于固定两个滚动轴承(126)。

8.根据权利要求1所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：所述的回复组件(14)包括导向柱(141)和回复弹簧(142)；所述导向柱(141)的一端插在锁定钢球支架(132)的底壁上，并沿着锁定钢球支架(132)的轴线方向上下移动；所述的回复弹簧(142)套在导向柱(141)上，回复弹簧(142)的底端抵接在锁定钢球支架(132)的底壁上，回复弹簧(142)的上端抵接在导向柱(141)顶端的抵接面上。

9.根据权利要求1所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，其特征在于：所述的被动锁紧机构(2)还包括接口定位块(22)，所述的接口定位块(22)固定安装在接口导向头(21)的顶部，并采用V型设计，与支撑壳体(11)顶部开的V形槽(1112)相配合，实现被动锁紧机构(2)和主动锁紧机构(1)锁紧时角度的定位。

10.一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口的快换方法，其特征在于：基于权利要求3至9任一项所述的一种空间在轨操控的自锁式标准载荷快换接口，具体对接过程如下：

S1，准备阶段：

启动直流无刷电机(121)，并将旋转扭矩通过电机转子轴(122)传递给丝杠螺母(123)，丝杠轴(124)在丝杠螺母(123)的作用下向上移动，直至丝杠轴(124)的顶端抵接在支撑壳体(11)的顶部，锁定钢球(131)处于锁定钢球支架(132)外的一侧抵接在丝杠轴(124)的内侧壁上；

S2，对接锁紧阶段：

S21，空间机械臂带动主动锁紧机构(1)朝向被动锁紧机构(2)侧移动，被动锁紧机构(2)中的接口导向头(21)从支撑壳体(11)的顶部插入到锁定钢球支架(132)内，并抵接在回复组件(14)的顶部，接口导向头(21)继续向下运动，回复组件(14)蓄存一定的预紧力；直至接口导向头(21)的定位锁紧段(212)正对球窝(1321)处；

S22，再次启动直流无刷电机(121)，并将旋转扭矩通过电机转子轴(122)传递给丝杠螺母(123)，丝杠轴(124)在丝杠螺母(123)的作用下向下移动；丝杠轴(124)对锁定钢球(131)产生径向方向的挤压力，随着丝杠轴(124)下移的距离增加，锁定钢球(131)在球窝(1321)内逐渐朝向锁定钢球支架(132)的内侧壁侧移动，并伸入到接口导向头(21)的定位锁紧段(212)中，实现被动锁紧机构(2)的锁紧；

S3，解锁释放阶段：

S31，启动直流无刷电机(121)，并将旋转扭矩通过电机转子轴(122)传递给丝杠螺母(123)，丝杠轴(124)在丝杠螺母(123)的作用下向上移动；丝杠轴(124)不再对锁定钢球(131)产生抵接力，并为锁定钢球(131)的移出提供空间；

S32，被动锁紧机构(2)中的接口导向头(21)在回复组件(14)的预紧力下向上运动，接口导向头(21)的定位锁紧段(212)的锥面对锁定钢球(131)产生挤压力，锁定钢球(131)在球窝(1321)内逐渐朝向锁定钢球支架(132)的外侧壁侧移动，并逐渐从接口导向头(21)的定位锁紧段(212)中移除，不再对接口导向头(21)产生锁紧的作用，从而实现主动锁紧机构(1)对被动锁紧机构(2)的释放。