PL249085B1 - Chwytak satelitów - Google Patents

Abstract

Chwytak zawiera podstawę (1) z dwoma przeciwbieżnymi wózkami (2, 3), poruszającymi po podstawie na liniowych prowadnicach. Wózki (2, 3) napędzane są przekładnią śrubową, w postaci obustronnie przeciwbieżnie gwintowanego wałka napędowego (5) oraz dwóch nakrętek (6, 7) związanymi z wózkami (2, 3). Każdy wózek (2, 3) zawiera dwie liniowe prowadnice (8) nachylone pod tym samym kątem (α) względem osi (9) prowadnic podstawy. Na tych prowadnicach (8) zamocowane są przesuwnie palce (10), wysuwające się z wózków (2, 3) pod wpływem działania sprężyn. Płaska środkowa część podstawy (1), równoległa do osi (9) prowadnic podstawy (1) oraz palce (10) wózków (2, 3) wyznaczają odpowiednio dno i dwa boki (14) przestrzeni chwytania satelity. Wejście w tę przestrzeń znajduje się od strony przeciwnej od jej dna (13), przy czym wyposażona jest ona w optyczne czujniki obecności w niej adaptera chwytanego satelity. Każdy palec (2, 3) ma swój koniec, dalszy i bliższy (17) względem wejścia w przestrzeń chwytania. Dwa boki (14) przestrzeni chwytania wyznaczają powierzchnie chwytne (14') palców (10), usytuowane zasadniczo prostopadle do dna powierzchni chwytania. Powierzchnia chwytna (14') każdego palca (10) w sąsiedztwie jego bliższego końca (17) palca (10) ma występ (18) skierowany w stronę przestrzeni chwytania.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest chwytak przeznaczony do chwytania satelitów w przestrzeni kosmicznej.

Problemem często występującym podczas przechwytywania satelity wymagającego serwisowania, dokonywanym w warunkach braku grawitacji przy pomocy chwytaka satelity serwisującego, jest obracanie się przechwytywanego satelity względem wspomnianego chwytaka w trzech osiach jednocześnie. Uniemożliwia to pełną synchronizację chwytaka z elementem satelity, za który może być on bezpiecznie uchwycony. Elementem tym może być adapter łączący satelitę z rakietą nośną, ze względu na swoją wysoką sztywność i brak pokrycia izolacją termiczną. Wspomniany brak pełnej synchronizacji oznacza, że przy każdej próbie chwycenia satelity będą występowały błędy pozycji i orientacji chwytaka względem adaptera. Dodatkowym problemem są różne kształty przekroju poprzecznego takiego adaptera, komplikujące chwytanie satelity. Przykłady rozwiązań chwytaków satelitów ujawniono w publikacjach US6840481, US2013/0249229, US2015/314893 i‘US4718709.

Najbliższy przedmiotowi wynalazku jest chwytak firmy OHB, którego koncepcja została zapr ezentowana na konferencji międzynarodowej i opublikowana w publikacji naukowej pt. „OHB Gripper Design and Grapple Simulations” [ESA 25.05.2016 Clean Space Industrial Day]. Taki znany chwytak jest dedykowany do chwytania jednego typu adaptera satelity, o nazwie Envisat LAR. Zawiera podstawę z dwoma przeciwbieżnymi wózkami, poruszającymi się prostoliniowo względem podstawy za pośrednictwem liniowych prowadnic. Wózki te napędzane są przekładnią śrubową, składającą się z obustronnie przeciwbieżnie gwintowanego wałka napędowego oraz pierwszej i drugiej nakrętki, związanej odpowiednio z pierwszym i drugim wózkiem. Każdy wózek zawiera liniowe prowadnice palców usytuowane pod kątem 75 stopni względem osi prowadnic podstawy. Na każdym z wózków znajduje się jeden palec, wysuwający się z wózka w stanie swobodnym pod wpływem działania elementu sprężystego. Płaska środkowa część podstawy, równoległa do osi prowadnic podstawy, oraz palce wózków wyznaczają odpowiednio dno i dwa boki przestrzeni chwytania satelity, z wejściem w tę przestrzeń od strony przeciwnej od wspomnianego dna. Przestrzeń chwytania wyposażona jest w czujniki obecności w niej adaptera chwytanego satelity.

Celem wynalazku było opracowanie konstrukcji chwytaka zdolnego chwytać adaptery o różnych kształtach ich przekroju poprzecznego.

Cel taki spełnia chwytak zawierający podstawę z dwoma przeciwbieżnymi wózkami, poruszającymi po prostoliniowo względem podstawy za pośrednictwem liniowych prowadnic wózków i napędzanymi przekładnią śrubową. Przekładnia ta składa się z obustronnie przeciwbieżnie gwintowanego wałka napędowego oraz pierwszej i drugiej nakrętki, związanej odpowiednio z pierwszym i drugim wózkiem. Każdy wózek zawiera liniowe prowadnice palców usytuowane pod kątem względem osi prowadnic podstawy. Na wspomnianych prowadnicach palców zamocowane są przesuwnie palce chwytaka, wysuwające się z wózków w stanie swobodnym pod wpływem działania elementów sprężystych. Płaska środkowa część podstawy, równoległa do osi prowadnic podstawy, oraz palce wózków wyznaczają odpowiednio dno i dwa boki przestrzeni chwytania satelity, z wejściem w tę przestrzeń od strony przeciwnej od wspomnianego dna. Przestrzeń chwytania wyposażona jest w czujniki obecności w niej adaptera chwytanego satelity. Wynalazek polega na tym, że każdy wózek ma dwa niezależne palce i dwie równoległe prowadnice liniowe dla tych palców. Każda z prowadnic liniowych każdego wózka nachylona jest do osi prowadnic podstawy pod tym samym kątem. Każdy palec ma swój koniec dalszy i koniec bliższy, definiowane względem odległości od wejścia w przestrzeń chwytania. Dwa boki przestrzeni chwytania wyznaczają powierzchnie chwytne palców, usytuowane zasadniczo prostopadle do dna powierzchni chwytania. Powierzchnia chwytna każdego palca w sąsiedztwie bliższego końca tego palca ma występ skierowany w stronę przestrzeni chwytania. Elementem sprężystym każdego palca jest rozciągana sprężyna śrubowa, rozpięta między podstawą chwytaka a palcem w rejonie jego dalszego końca. Czujnikami obecności adaptera w przestrzeni chwytania są czujniki optyczne, korzystnie czujniki pracujące w zakresie podczerwieni.

W jednym z wariantów wynalazku kąt nachylenia prowadnicy palca mieści się w zakresie od 46 do 60 stopni, korzystnie wynosi 55 stopni.

W kolejnym wariancie wynalazku każdy palec ma co najmniej dwa czujniki obecności adaptera w przestrzeni chwytania.

W kolejnym wariancie wynalazku na podstawie chwytaka znajdą się wyłączniki krańcowe aktywowane przez wózki po osiągnięciu stanu największego ich rozsunięcia, zaś każdy wózek wyposażo ny jest w wyłączniki krańcowe, aktywowane przez palce chwytaka po osiągnięciu stanu ich największego wysunięcia.

W innym wariancie wynalazku wałek napędowy napędzany jest silnikiem elektrycznym, korzystnie silnikiem prądu stałego, za pośrednictwem przekładni.

W jeszcze innym wariancie wynalazku silnik elektryczny wyposażony jest w enkoder.

Wynalazek upraszcza procedurę przechwycenia satelity, gdyż nie wymaga dokładnego początkowego pozycjonowania satelity chwytającego względem satelity chwytanego, a mimo to doprowadza do zaciśnięcia chwytaka na adapterze chwytanego satelity w zaplanowanej pozycji. Konstrukcja chwytaka według wynalazku, w tym cztery niezależnie poruszające się palce, pozwala na skuteczne i szybkie chwytanie adapterów o różnorodnych kształtach. Wysoka szybkość chwytania eliminuje ryzyko ucieczki z przestrzeni chwytania adaptera, który we właściwej pozycji potrafi znajdować się bardzo krótko. Samohamowność napędu śrubowego chwytaka według wynalazku umożliwia utrzymanie zacisku palców na adapterze bez potrzeby zasilania silnika.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji został poniżej szczegółowo opisany i przedstawiony na rysunku. Fig. 1 i fig. 2 przedstawiają w widokach odpowiednio z boku i od góry schemat kinematyczny chwytaka według wynalazku z maksymalnie rozszerzonymi palcami i adapterem chwytanego satelity znajdującego się w przestrzeni chwytania. Fig. 3 i fig. 4 przedstawiają w widokach odpowiednio z boku i od góry schemat kinematyczny chwytaka według wynalazku z palcami zaciśniętymi na adapterze chwyconego satelity. Fig. 5, fig. 6, i fig. 7 przestawiają przykład realizacji chwytaka według wynalazku z rozsuniętymi maksymalnie palcami, w widokach odpowiednio z dłuższego boku, od góry i z krótszego boku. Fig. 8 przedstawia chwytak z fig. 5 w widoku aksonometrycznym od góry, zaś fig. 9 i fig. 10 przedstawiają powiększone fragmenty widoku z fig. 8. Fig. 11 przedstawia widok aksonometryczny analogiczny do widoku z fig. 8, ale z maksymalnie zsuniętymi palcami, zaś fig. 12 i fig. 13 przedstawia powiększone fragmenty widoku z fig. 11. Figury od fig. 14 do fig. 19 przestawiają w widoku analogicznym do widoku z fig. 5 kolejne fazy ruchu palców chwytaka, począwszy od pustego chwytaka z zsuniętymi palcami (fig. 14), poprzez otwieranie się chwytaka (fig. 15 i fig. 16) w celu objęcia adaptera przestrzenią chwytania (fig. 17) do uchwycenia wspomnianego adaptera i zaciśnięcia na nim palców chwytaka (fig. 18 i fig. 19). Fig. 20 przedstawia przekrój chwytaka z fig. 5 płaszczyzną pionową.

Przykładowy chwytak według wynalazku zawiera podstawę 1 z dwoma przeciwbieżnymi wózkami 2 i 3, poruszającymi się po prostoliniowych prowadnicach 4 zamocowanych do podstawy 1. Ruch wózków 2 i 3 po prowadnicach 4 realizowany jest za pomocą przekładni śrubowej, składającej się z obustronnie przeciwbieżnie gwintowanego wałka napędowego 5 oraz pierwszej 6 i drugiej 7 nakrętki, związanej sztywno odpowiednio z pierwszym 2 i drugim 3 wózkiem. Każdy wózek 2 i 3 zawiera dwie liniowe prowadnice 8 usytuowane pod kątem względem osi 9 prowadnic 4 podstawy 1. Na każdej ze wspomnianych prowadnic 8 zamocowany jest przesuwnie palec 10 chwytaka. Każdy palec 10, będąc w stanie swobodnym czyli bez kontaktu z adapterem 11 chwytanego satelity, wysuwa się ze swojego wózka 2 i 3 pod wpływem działania swojej rozciąganej sprężyny śrubowej 12, rozpiętej pomiędzy palcem 10 a podstawą 1. Płaska środkowa część podstawy 1 jest równoległa do osi 9 prowadnic 4 podstawy 1. Środkowa część podstawy 1 oraz palce 10 wózków 2 i 3 wyznaczają odpowiednio dno 13 i dwa boki 14 przestrzeni 15 chwytania satelity. Wejście w tę przestrzeń 15 znajduje się od strony przeciwnej od wspomnianego dna 13. Przestrzeń 15 wyposażona jest w czujniki obecności w niej adaptera 11 chwytanego satelity. Każda z prowadnic liniowych 8 nachylona jest do osi 9 prowadnic 4 podstawy 1 pod tym samym kątem α, wynoszącym 55 stopni, przy czym kąt ten może mieścić się w zakresie od 46 do 60 stopni. Każdy palec 10 ma swój koniec dalszy 16 i koniec bliższy 17, przy czym definiująca te końce odległość dotyczy ich odległość od wejścia w przestrzeń chwytania 15. Dwa boki 14 przestrzeni chwytania 15 wyznaczają powierzchnie chwytne 14’ palców 10, ulokowane zasadniczo prostopadle do dna 13 powierzchni chwytania 15. Powierzchnia chwytna 14’ każdego palca 10 w sąsiedztwie bliższego końca 17 tego palca ma występ 18 skierowany w stronę przestrzeni chwytania 15. Sprężyna 12 każdego palca 10 jest zamocowana do podstawy 1 w rejonie dalszego końca 16 tego palca 10. Czujnikami obecności 19 adaptera 11 w przestrzeni chwytania 15 są czujniki optyczne pracujące w podczerwieni, składające się z diody elektroluminescencyjnej i fotodiody. Czujniki 19 zainstalowane są na palcach 10, w liczbie co najmniej dwóch na każdy palec 10. Na podstawie 1 chwytaka znajdą się wyłączniki krańcowe 20, aktywowane przez wózki 2 i 3, gdy maksymalnie rozsuną się one od siebie. Także każdy wózek 2 i 3 ma wyłączniki krańcowe 21, aktywowane przez palce 10 w stanie ich największego wysunięcia w górę podczas ruchu po prowadnicach 8. Wałek napędo wy 5 osadzony jest obrotowo w podstawie 1 i napędzany, za pośrednictwem zębatej przekładni 22, elektrycznym silnikiem prądu stałego 23, wyposażonym w nieuwidoczniony na rysunku enkoder. Podstawa 1 i palce 10 wykonane są ze stopu aluminium. Prowadnice 4 i 8 są kulkowymi prowadnicami liniowymi. W wyniku obrotów wałka napędowego 5 w jedną stronę, wózki 2 i 3 rozsuwają się po prowadnicach 4, bo nakrętki napędowe 6 i 7 zamocowane są sztywno odpowiednio do wózków 2 i 3. Osadzone na prowadnicach 8 i nieobciążone w danym momencie naciskiem na adapter 11 palce 10 wysuwają się w górę, bo ciągną je w górę napięte sprężyny 12. Zasilanie silnika 23 trwa aż do momentu aktywowania któregokolwiek z wyłączników krańcowych 20 i 21. Obrót wałka 5 w przeciwnym kierunku powoduje zbliżanie się wózków 2 i 3 ku sobie, a w tym samym czasie palce 10, gdy natrafią na powierzchnie oporowe podstawy 1, zsuwają się w dół po prowadnicach 8. Enkoder silnika 23 i wraz czujnikami Halla, służy także do pomiaru prędkości obrotowej silnika 23, a więc i pośrednio także prędkości obrotowej wałka napędowego 5. Zespół napędowy chwytaka wyposażony w nieuwidoczniony na rysunku układ pomiaru temperatury, zapobiegający przegrzaniu się silnika 23, oraz układ do pomiaru prądu pobieranego przez silnik 23. Ponieważ pobór prądu jest proporcjonalny do siły zacisku palców 10 na adapterze 11, pomiar prądu zapewnia także pomiar siły zacisku palców 10 na adapterze 11 bez konieczności instalowania odrębnych czujników siły.

Poszczególne etapy działania przykładowego chwytaka uwidocznione są na figurach rysunku, od fig. 14 do fig. 19. Pomimo, że w przestrzeni kosmicznej brak podstaw do stosowania pojęć góra i dół, w celu łatwiejszego zrozumienia wynalazku posłużono się górną i dolną częścią arkusza na jakim znajdują się wspomniane figury, w których oś prowadnic 4 przebiega poziomo, podstawa 1 jest w dolnej części tych figur, a wejście do przestrzeni chwytania 15 znajduje się po przeciwnej stronie, czyli u góry. Chwytak początkowo znajduje się w konfiguracji złożonej (fig. 14), czyli z zsuniętymi wózkami 2 i 3 i wsuniętymi palcami 10. Po włączeniu zasilania silnika 23 następuje przemieszczanie się wózków 2 i 3 na zewnątrz (na rysunku odpowiednio w lewo i prawo), czemu towarzyszy ruch palców 10 wzdłuż prowadnic 8, powodujący ich wysuwanie się do góry (fig. 15). Ruch wózków 2 i 3 oraz palców 10 symbolizują strzałki. Po osiągnięciu przez palce 10 ich skrajnych górnych pozycji, w dalszym ciągu rozsuwają się wózki 2 i 3, aż do osiągnięcia maksymalnego otwarcia chwytaka (fig. 16). W momencie, gdy adapter 11 znajdzie się w przestrzeni chwytania (fig. 17), co zasygnalizują czujniki 19, następuje przełączenie obrotów silnika 23 i rozpoczęcie zamykania chwytaka. W tym etapie, najpierw przemieszczają się wyłącznie wózki 2 i 3 (na rysunku odpowiednio w lewo i prawo), aż do zetknięcia wszystkich palców 10 z adapterem 11. W tej fazie zamykania może jeszcze istnieć niedokładność pozycjonowania chwytaka względem adaptera 11. Dalsze zamykanie chwytaka powoduje rozpoczęcie zaciskania się jego palców 10 na adapterze 11 (fig. 18), podczas którego to zaciskania ruchowi wózków 2 i 2 towarzyszy ruch palców 10 wzdłuż prowadnic 8, powodujący ich przemieszczanie się w dół. Podczas tej fazy zamykania mogą być dalej eliminowane ewentualne błędy wzajemnego pozycjonowania chwytaka i adaptera 11. Ponadto, poziomy rozstaw palców 10 podczas zamykania chwytaka automatycznie dostosowuje się do gabarytów adaptera 11, wynikających z różnicy jego zewnętrznej i wewnętrznej średnicy. Po osiągnięciu dużej siły zacisku palców 10 na adapterze 11 następuje już głównie przemieszczanie się ich w dół, aż do całkowitego zamknięcia się chwytaka i zaciśnięcia jego palców 10 na adapterze 11 (fig. 19). W końcowej fazie zamykania chwytaka może nastąpić eliminacja ewentualnych, pozostałych jeszcze błędów pozycjonowania chwytaka względem adaptera 11.

Oznaczenia

- podstawa

- pierwszy wózek

- drugi wózek

- prowadnica podstawy

- gwintowany wałek napędowy

- pierwsza nakrętka napędowa

- druga nakrętka napędowa

- prowadnica palca

- oś prowadnic podstawy

- palec

- adapter satelity

- sprężyna

- dno przestrzeni chwytania

14’

- bok przestrzeni chwytania

- powierzchnia chwytna palców

- przestrzeń chwytania

- dalszy koniec palca

- bliższy koniec palca

- występ palca

- czujnik obecności adaptera

- wyłącznik krańcowy podstawy

- wyłącznik krańcowy wózka

- przekładnia zębata

- silnik elektryczny

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Chwytak satelitów, zawierający podstawę z dwoma przeciwbieżnymi wózkami, poruszającymi po prostoliniowo względem podstawy za pośrednictwem liniowych prowadnic wózków i napędzanymi przekładnią śrubową, składającą się z obustronnie przeciwbieżnie gwintowanego wałka napędowego oraz pierwszej i drugiej nakrętki, związanej odpowiednio z pierwszym i drugim wózkiem, każdy wózek zawiera liniowe prowadnice palców usytuowane pod kątem względem osi prowadnic podstawy, na wspomnianych prowadnicach palców zamocowane są przesuwnie palce chwytaka, wysuwające się z wózków w stanie swobodnym pod wpływem działania elementów sprężystych, płaska środkowa część podstawy, równoległa do osi prowadnic podstawy, oraz palce wózków wyznaczają odpowiednio dno i dwa boki przestrzeni chwytania satelity, z wejściem w tę przestrzeń od strony przeciwnej od wspomnianego dna, która to przestrzeń wyposażona jest w czujniki obecności w niej adaptera chwytanego satelity, znamienny tym, że każdy wózek (2, 3) ma dwa niezależne palce (10) i dwie równoległe prowadnice liniowe (8) dla tych palców (10), każda z prowadnic liniowych (8) każdego wózka (2, 3) nachylona jest do osi (9) prowadnic (4) podstawy (1) pod tym samym kątem (α), każdy palec (2, 3) ma swój koniec, dalszy (16) i bliższy (17) względem wejścia w przestrzeń chwytania (15), dwa boki (14) przestrzeni chwytania (15) wyznaczają powierzchnie chwytne (14’) palców (10), usytuowane zasadniczo prostopadle do dna (13) powierzchni chwytania (15), powierzchnia chwytna (14’) każdego palca (10) w sąsiedztwie bliższego końca (17) palca (10) ma występ (18) skierowany w stronę przestrzeni chwytania (15), elementem sprężystym każdego palca (10) jest rozciągana sprężyna śrubowa (12), rozpięta między podstawą (1) chwytaka a palcem (10) w rejonie jego dalszego końca (16), zaś czujnikami obecności adaptera (11) w przestrzeni chwytania (15) są czujniki optyczne (19), korzystnie czujniki pracujące w zakresie podczerwieni.
2. 2. Chwytak według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt nachylenia (α) prowadnicy (8) palca (10) mieści się w zakresie od 46 do 60 stopni, korzystnie wynosi 55 stopni.
3. 3. Chwytak według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że każdy palec (10) ma co najmniej dwa czujniki (19) obecności adaptera (11) w przestrzeni chwytania (15).
4. 4. Chwytak według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że na podstawie (1) chwytaka znajdą się wyłączniki krańcowe (20) aktywowane przez wózki (2, 3) po osiągnięciu stanu największego ich rozsunięcia, zaś każdy wózek (2, 3) wyposażony jest w wyłączniki krańcowe (12) aktywowane przez palce (10) chwytaka po osiągnięciu stanu ich największego wysunięcia.
5. 5. Chwytak według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że wałek napędowy (5) napędzany jest silnikiem elektrycznym (23), korzystnie silnikiem prądu stałego, za pośrednictwem przekładni (22).
6. 6. Chwytak według zastrz. 5, znamienny tym, że silnik elektryczny (23) wyposażony jest w enkoder.