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CN101722510A - 用于空间环境的大容差柔性捕获机构 - Google Patents

用于空间环境的大容差柔性捕获机构 Download PDF

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Abstract

用于空间环境的大容差柔性捕获机构，它涉及一种捕获机构。本发明为解决现有的捕获机构的捕获容差较小，不能满足捕获机械臂较高的精度要求的问题。本发明谐波减速器的输入端与直流无刷电机的输出端连接，直流无刷电机固装在捕获支撑筒的内壁上，小齿轮安装在谐波减速器的输出端上，小齿轮与内齿轮啮合，内齿轮与力矩传感器固接，力矩传感器与旋转环固接，固定环通过连接环与捕获支撑筒内侧壁固接，三根钢丝绳均布在固定环和旋转环的内腔中，且每根钢丝绳的一端与固定环的内壁固接，每根钢丝绳的另一端通过转轴与旋转环连接，捕获接口装置上的捕获锥与三根钢丝绳连接。本发明用于空间大容差、微重力的环境下捕获空间载荷舱。

Description

用于空间环境的大容差柔性捕获机构
技术领域
本发明涉及一种捕获机构。
背景技术
现阶段的空间捕获机构大多采用刚性捕获原理，捕获冲击大，对捕获载体和捕获载荷都带来较大的影响，严重的时候可能对系统带来损害。而现有的捕获机构的捕获容差较小，不能满足捕获机械臂较高的精度要求。
发明内容
本发明的目的是为解决现有的捕获机构的捕获容差较小，不能满足捕获机械臂较高的精度要求的问题，提供一种用于空间环境的大容差柔性捕获机构。
本发明包括捕获接口装置和捕获装置，所述捕获装置包括直流无刷电机、谐波减速器、小齿轮、内齿轮、力矩传感器、薄壁轴承、连接环、固定环、旋转环、三根钢丝绳、转轴和捕获支撑筒，谐波减速器的输入端与直流无刷电机的输出端连接，所述直流无刷电机和谐波减速器设置在捕获支撑筒内腔的下部，且直流无刷电机固装在捕获支撑筒的内壁上，谐波减速器上的刚轮与捕获支撑筒的侧壁固接，小齿轮安装在谐波减速器的输出端上，小齿轮与内齿轮啮合，内齿轮的上端面与力矩传感器的下端面固接，力矩传感器的上端设置在薄壁轴承上的内环中心孔中，薄壁轴承上的外环设置在连接环的中心孔内，连接环的上端面与固定环固接，连接环和固定环的组件设置在捕获支撑筒内腔的上部，且连接环与捕获支撑筒侧壁固接，固定环的下端面设有旋转环安装槽，旋转环安装槽中装有旋转环，且旋转环的下端与力矩传感器的上端面固接，三根钢丝绳均布在固定环和旋转环的内腔中，且每根钢丝绳的一端与固定环的内壁固接，每根钢丝绳的另一端通过转轴与旋转环连接，捕获接口装置上的捕获锥与三根钢丝绳连接。
本发明具有以下优点：一、本发明利用捕获装置2上三根柔性钢丝绳2-10，通过旋转环2-9相对于固定环2-8的旋转实现钢丝绳的张开或闭合，进而实现空间载荷舱10的捕获；由于捕获装置2与空间载荷舱10之间存在较大容差和相对残余速度，利用本发明可实现空间载荷舱10的柔性捕获。二、利用三根钢丝绳2-10作为执行机构使得本发明具有质量小、捕获容差大、捕获冲击小等优点。三、本发明提出的大容差柔性捕获机构在空间机器人领域、空间载荷捕获领域将发挥巨大的作用。
附图说明
图1是本发明的整体结构主剖视图，图2是三根钢丝绳2-10将捕获接口装置1上的捕获锥1-2捕获缠绕状态立体图，图3是具体实施方式五的结构示意图，图4是旋转环2-9相对于固定环2-8没有角度偏移量时，三根钢丝绳2-10处于最大展开状态图，图5是旋转环2-9相对于固定环2-8处于最大角度偏移时，三根钢丝绳2-10处于最小收拢状态图，图6是旋转环2-9在未转动时，三根钢丝绳2-10相对于捕获锥1-2位置的状态图，图7是在旋转环2-9的带动下，三根钢丝绳2-10收拢并接触捕获锥1-2，位置的状态图，图8是三根钢丝绳2-10缠绕住捕获锥1-2的状态图，图9是图1的I局部放大图，图10是将捕获装置2安装于机械臂11上，捕获接口装置1安装于空间载荷舱10上的安装位置图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括捕获接口装置1和捕获装置2，捕获装置2包括直流无刷电机2-1、谐波减速器2-2、小齿轮2-3、内齿轮2-4、力矩传感器2-5、薄壁轴承2-6、连接环2-7、固定环2-8、旋转环2-9、三根钢丝绳2-10、转轴2-11和捕获支撑筒2-12，谐波减速器2-2的输入端与直流无刷电机2-1的输出端连接，直流无刷电机2-1和谐波减速器2-2设置在捕获支撑筒2-12内腔的下部，且直流无刷电机2-1通过连接件固装在捕获支撑筒2-12的内壁上，谐波减速器2-2上的刚轮通过连接件与捕获支撑筒2-12的侧壁固接，小齿轮2-3安装在谐波减速器2-2的输出端上，小齿轮2-3与内齿轮2-4啮合，内齿轮2-4的上端面与力矩传感器2-5的下端面固接，力矩传感器2-5的上端设置在薄壁轴承2-6上的内环中心孔中，薄壁轴承2-6上的外环设置在连接环2-7的中心孔内，连接环2-7的上端面通过连接件与固定环2-8固接，连接环2-7和固定环2-8的组件设置在捕获支撑筒2-12内腔的上部，且连接环2-7通过连接件与捕获支撑筒2-12侧壁固接，固定环2-8的下端面设有旋转环安装槽2-8-1，旋转环安装槽2-8-1中装有旋转环2-9，且旋转环2-9的下端与力矩传感器2-5的上端面固接，三根钢丝绳2-10均布在固定环2-8和旋转环2-9的内腔中，且每根钢丝绳2-10的一端与固定环2-8的内壁固接，每根钢丝绳2-10的另一端通过转轴2-11与旋转环2-9连接，捕获接口装置1上的捕获锥1-2与三根钢丝绳2-10连接。小齿轮2-3与内齿轮2-4啮合传动作为捕获三根钢丝绳2-10的传动机构；三根钢丝绳2-10具有柔性的钢丝绳作为捕获的执行机构；直流无刷电机2-1和谐波减速器2-2作为捕获的驱动机构；旋转环2-9相对于固定环2-8没有角度偏移量时，三根钢丝绳2-10处于最大展开状态，见图4和图6；当旋转环2-9随驱动机构转动并带动三根钢丝绳2-10收拢接触捕获锥1-2，在捕获锥1-2上产生接触力F，在接触力F的作用下，捕获接口装置1逐步趋近捕获装置2中央，见图7；旋转环2-9相对于固定环2-8处于最大角度偏移时，三根钢丝绳2-10处于最小收拢状态，见图5和图8。直流无刷电机2-1的型号为Kit Frameless；谐波减速器2-2的型号为HFUS-20-80-2SO；小齿轮2-3的齿数为17、模数为2；内齿轮2-4的齿数为182、模数为2；力矩传感器2-5采用由应变梁和应变片构成的力矩传感器测量捕获力的大小，实现系统的闭环控制；薄壁轴承2-6的型号为CNG120BCA1，薄壁轴承2-6增加了系统的捕获范围。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的捕获接口装置1包括捕获接口板1-1、捕获锥1-2、捕获法兰1-3、捕获引导灯1-4和至少三个连接销1-5，捕获锥1-2的上端与捕获法兰1-3连接，捕获法兰1-3与捕获锥1-2的组件垂直设置在捕获接口板1-1的下端，且捕获法兰1-3通过连接件与捕获接口板1-1的下端面固接，捕获引导灯1-4安装于捕获锥1-2的下端，至少三个连接销1-5均布设置在捕获接口板1-1的上端面上。捕获引导灯1-4起捕获引导作用。捕获接口装置1通过至少三个连接销1-5与载荷舱10连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同的是捕获接口装置1还增加有连接轴1-6，连接轴1-6设置在捕获法兰1-3与捕获锥1-2之间，且连接轴1-6的一端套装在捕获锥1-2上，连接轴1-6的另一端与捕获法兰1-3连接。这样设计是为了在捕获锥1-2与连接轴1-6之间形成台阶1-7，台阶1-7可以有效的防止钢丝绳脱落。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二或三不同的是捕获装置2还增加有电磁制动器2-13，电磁制动器2-13设置在直流无刷电机2-1的输入端上。电磁制动器2-13作为捕获捕获接口装置1的锁定机构，保证在系统断电以后仍然可以保持捕获状态。电磁制动器2-13的型号为KEB COMBIPERM，电磁制动器2-13可以在捕获运动完成时，锁定整个捕获装置2，防止捕获接口装置1逃逸。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二或三相同。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同的是捕获装置2还增加有限位块2-14和两个电子限位开关2-15，旋转环2-9的端面上均布设有第一限位槽2-9-1，固定环2-8的端面上设有与第一限位槽2-9-1正对的第二限位槽2-8-2，第一限位槽2-9-1中部安装一个限位块2-14，且限位块2-14的顶端位于第二限位槽2-8-2中，两个电子限位开关2-15分别固装在旋转环2-9的端面上，且分别位于第一限位槽2-9-1的两端。电子限位开关2-15采用型号为OMH3075的高精度霍尔传感器，具有较好的重复性。限位块2-14用以限制旋转环2-9相对于固定环2-8的旋转角度。当旋转环2-9相对于固定环2-8旋转时，首先起作用的是两端的电子限位开关2-15，在两端的电子限位开关2-15失效的情况下，限位块2-14可以继续限制旋转环2-9相对于固定环2-8的旋转，保证了系统的安全。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图9说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同的是捕获装置2还增加有旋转电位计2-16、电位计轴承2-17、电位计齿轮2-18和旋转电位计支撑体2-19，旋转电位计支撑体2-19设置在内齿轮2-4的下方，且旋转电位计支撑体2-19通过连接件固装在捕获支撑筒2-12内壁上，旋转电位计2-16设置在旋转电位计支撑体2-19上，电位计齿轮2-18通过电位计轴承2-17设置在旋转电位计2-16的输入端上，电位计齿轮2-18与内齿轮2-4啮合。旋转电位计2-16的型号为ALIR17M，该型号的电位计其直线度容差可以达到±0.25％，具有较高的测量精度和重复精度。旋转电位计2-16作为捕获状态的测量装置，可以实时反应出钢丝绳的捕获位置。当内齿轮2-4带动三根钢丝绳2-10旋转的同时也带动电位计齿轮2-18旋转，通过电位计齿轮2-18带动旋转电位计2-16旋转，从而测量出三根钢丝绳2-10的转角。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
本发明的工作原理：见图10，首先将本发明的用于空间环境的大容差柔性捕获机构上的捕获装置2安装于机械臂11的输出端上，机械臂11的固定端安装于空间工作舱12上，捕获接口装置1安装于空间载荷舱10上。当需要捕获空间漂移的空间载荷舱10时，捕获装置2在机械臂11的带动下趋近捕获接口装置1，直至捕获接口装置1上的捕获锥1-2进入捕获装置2上的捕获支撑筒2-12内腔时，开始实施捕获。捕获时，启动直流无刷电机2-1，通过谐波减速器2-2带动小齿轮2-3转动，通过内齿轮2-4带动力矩传感器2-5转动，力矩传感器2-5带动旋转环2-9转动，三根钢丝绳2-10在旋转环2-9的带动下将捕获接口装置1上的捕获锥1-2夹紧，即完成空间捕获。

Claims (6)

1.一种用于空间环境的大容差柔性捕获机构，所述捕获机构包括捕获接口装置(1)和捕获装置(2)，其特征在于：所述捕获装置(2)包括直流无刷电机(2-1)、谐波减速器(2-2)、小齿轮(2-3)、内齿轮(2-4)、力矩传感器(2-5)、薄壁轴承(2-6)、连接环(2-7)、固定环(2-8)、旋转环(2-9)、三根钢丝绳(2-10)、转轴(2-11)和捕获支撑筒(2-12)，谐波减速器(2-2)的输入端与直流无刷电机(2-1)的输出端连接，所述直流无刷电机(2-1)和谐波减速器(2-2)设置在捕获支撑筒(2-12)内腔的下部，且直流无刷电机(2-1)固装在捕获支撑筒(2-12)的内壁上，谐波减速器(2-2)上的刚轮与捕获支撑筒(2-12)的侧壁固接，小齿轮(2-3)安装在谐波减速器(2-2)的输出端上，小齿轮(2-3)与内齿轮(2-4)啮合，内齿轮(2-4)的上端面与力矩传感器(2-5)的下端面固接，力矩传感器(2-5)的上端设置在薄壁轴承(2-6)上的内环中心孔中，薄壁轴承(2-6)上的外环设置在连接环(2-7)的中心孔内，连接环(2-7)的上端面与固定环(2-8)固接，连接环(2-7)和固定环(2-8)的组件设置在捕获支撑筒(2-12)内腔的上部，且连接环(2-7)与捕获支撑筒(2-12)侧壁固接，固定环(2-8)的下端面设有旋转环安装槽(2-8-1)，旋转环安装槽(2-8-1)中装有旋转环(2-9)，且旋转环(2-9)的下端与力矩传感器(2-5)的上端面固接，三根钢丝绳(2-10)均布在固定环(2-8)和旋转环(2-9)的内腔中，且每根钢丝绳(2-10)的一端与固定环(2-8)的内壁固接，每根钢丝绳(2-10)的另一端通过转轴(2-11)与旋转环(2-9)连接，捕获接口装置(1)上的捕获锥(1-2)与三根钢丝绳(2-10)连接。
2.根据权利要求1所述用于空间环境的大容差柔性捕获机构，其特征在于：所述捕获接口装置(1)包括捕获接口板(1-1)、捕获锥(1-2)、捕获法兰(1-3)、捕获引导灯(1-4)和至少三个连接销(1-5)，捕获锥(1-2)的上端与捕获法兰(1-3)连接，捕获法兰(1-3)与捕获锥(1-2)的组件垂直设置在捕获接口板(1-1)的下端，且捕获法兰(1-3)与捕获接口板(1-1)的下端面固接，捕获引导灯(1-4)安装于捕获锥(1-2)的下端，至少三个连接销(1-5)均布设置在捕获接口板(1-1)的上端面上。
3.根据权利要求2所述用于空间环境的大容差柔性捕获机构，其特征在于：所述捕获接口装置(1)还包括连接轴(1-6)，连接轴(1-6)设置在捕获法兰(1-3)与捕获锥(1-2)之间，且连接轴(1-6)的一端套装在捕获锥(1-2)上，连接轴(1-6)的另一端与捕获法兰(1-3)连接。
4.根据权利要求1或2或3所述用于空间环境的大容差柔性捕获机构，其特征在于：所述捕获装置(2)还包括电磁制动器(2-13)，电磁制动器(2-13)设置在直流无刷电机(2-1)的输入端上。
5.根据权利要求4所述用于空间环境的大容差柔性捕获机构，其特征在于：所述捕获装置(2)还包括限位块(2-14)和两个电子限位开关(2-15)，旋转环(2-9)的端面上均布设有第一限位槽(2-9-1)，固定环(2-8)的端面上设有与第一限位槽(2-9-1)正对的第二限位槽(2-8-2)，第一限位槽(2-9-1)中部安装一个限位块(2-14)，且限位块(2-14)的顶端位于第二限位槽(2-8-2)中，两个电子限位开关(2-15)分别固装在旋转环(2-9)的端面上，且分别位于第一限位槽(2-9-1)的两端。
6.根据权利要求5所述用于空间环境的大容差柔性捕获机构，其特征在于：所述捕获装置(2)还包括旋转电位计(2-16)、电位计轴承(2-17)、电位计齿轮(2-18)和旋转电位计支撑体(2-19)，旋转电位计支撑体(2-19)设置在内齿轮(2-4)的下方，且旋转电位计支撑体(2-19)固装在捕获支撑筒(2-12)内壁上，旋转电位计(2-16)设置在旋转电位计支撑体(2-19)上，电位计齿轮(2-18)通过电位计轴承(2-17)设置在旋转电位计(2-16)的输入端上，电位计齿轮(2-18)与内齿轮(2-4)啮合。
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