CN106628277A - 一种空间捕获锁紧装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种空间捕获锁紧装置，包括主动结构和被动结构；主动机构包括外壳组件、驱动组件、传动组件、上板辅助组件和三套手指组件，外壳组件用以支撑、连接驱动组件、传动组件、上板辅助组件和手指组件，其中上板辅助组件包括滚轮，手指组件包括四连杆机构，驱动组件驱动传动组件，使传动组件将回转运动转换成直线运动，传动组件控制手指组件的向上移动和向下移动，三套手指组件向下移动时受滚轮的压缩而合拢，进而夹取结构与之相适配的被动结构；手指组件向上移动时四连杆机构联动，驱动手指组件张开，进而释放被动结构。本发明可用于空间机械臂对小型航天器的捕获和锁合，取得了重量轻、体积小、大容差、捕获对象多样的有益效果。

Description

一种空间捕获锁紧装置

技术领域

本发明设计空间操作技术领域，具体涉及一种空间机械臂的捕获锁紧装置，该机构可实现对空间小型飞行器和载荷的捕获、锁紧及释放。

背景技术

空间机械臂的末端操作工具是机械臂完成一系列空间任务的执行机构，根据完成任务的种类不同，空间机构的类型也多种多样。随着人类卫星发射量的逐年增加，空间废弃的卫星的数量也呈现加速上涨的趋势，目前对废弃卫星回收还没有比较有效的方法，因此有必要设计一种适用于空间小型卫星的抓捕机构，用于实现空间抓捕操作。

发明内容

为了解决目前空间废旧卫星无法回收的问题，本发明提出了一种空间捕获锁紧装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种空间捕获锁紧装置，包括空间飞行器上的被动结构和空间机械臂上的主动机构，所述被动结构为三瓣型结构；所述主动机构包括外壳组件、驱动组件、传动组件、上板辅助组件和三套手指组件，所述外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件、上板辅助组件和手指组件，其中所述上板辅助组件包括滚轮，所述手指组件包括四连杆机构，所述驱动组件驱动所述传动组件，使所述传动组件将回转运动转换成直线运动，所述传动组件控制所述手指组件的向上移动和向下移动，三套所述手指组件向下移动时受所述滚轮的压缩而合拢，进而夹取结构与之相适配的所述被动结构；所述手指组件向上移动时所述四连杆机构联动，驱动所述手指组件张开，进而释放所述被动结构。

较佳的，所述驱动组件包括直流无刷电机、行星减速箱、蜗轮蜗杆减速箱、一级齿轮，所述直流无刷电机通过所述行星减速箱带动所述蜗轮蜗杆减速箱，所述蜗轮蜗杆减速箱通过所述一级齿轮带动所述传动组件。

较佳的，传动组件包括二级齿轮、丝杠螺母、滚珠丝杠、移动平台，所述驱动组件驱动所述二级齿轮转动，所述二级齿轮带动所述滚珠丝杠转动，所述滚珠丝杠驱动所述丝杠螺母沿直线运动，进而带动所述移动平台和所述手指组件的向上或向下移动。

较佳的，所述上板辅助组件包括上板、微动开关、粗定位销和/或弹簧推杆组件，所述微动开关、粗定位销、滚轮和/或弹簧推杆组件固定在所述上板上，所述粗定位销与所述被动结构结合，进而触动所述微动开关，使得所述驱动组件反向自锁，所述被动结构在所述弹簧推杆组件的弹力作用下与所述主动机构分离。

进一步地，所述弹簧推杆组件包括外筒、弹簧、弹簧轴、推杆，所述弹簧安装在所述弹簧轴上，所述弹簧推动所述推杆在所述推杆外筒中向上移动，进而推动所述被动结构。

较佳的，所述四连杆机构包括第一指臂、第二指臂、基座、第三指臂，所述基座与所述第二指臂通过指轴连接，所述第二指臂与所述第一指臂通过指轴连接，所述扭簧与所述第二指臂通过销钉连接，所述基座与所述第三指臂通过指轴连接，所述第三指臂与所述第一指臂通过指轴连接，所述扭簧转动时，通过销钉带动所述第二指臂转动，进而带动所述第一指臂转动，从而实现所述手指组件的张开动作。

进一步地，所述第一指臂侧面开有轮槽，所述轮槽与所述滚轮相配合，所述手指组件向下移动时，所述滚轮压缩所述第一指臂，使得所述手指组件逐渐收拢。

进一步地，所述指臂顶端安装有非金属材料的指尖，所述指尖呈凸圆型。

较佳的，所述被动结构的上端面布置有飞行器连接接口，下端面布置有与所述上板辅助组件进行粗定位的孔，所述三瓣型结构的每瓣之间形成楔形槽，所述楔形槽的下端面设有凸台斜面。

较佳的，所述外壳组件包括外壳、微动开关、导轨和沿所述导轨滑动的滑块，所述微动开关、导轨固定在所述外壳上，所述传动组件带动所述滑块沿所述导轨滑动，进而触动所述微动开关，从而控制所述驱动组件停止运动。

同时，为了解决上述问题，本发明还提出一种空间捕获锁紧装置相应抓取方法，包括以下步骤：

主动机构对被动结构的捕获步骤；

主动机构对被动结构的拉紧锁合步骤；

主动机构对被动结构的分离释放步骤；

所述主动机构对被动结构的捕获步骤具体为：空间机械臂携带主动机构逐步靠近被动结构，手指组件处于完全张开状态，驱动组件驱动滚珠丝杠,通过丝杠螺母带动移动平台向下运动，第一指臂侧面开有轮槽，与上板辅助组件上的滚轮配合，通过压缩第一指臂，使得运动过程中手指组件逐渐收拢，直至进入被动结构的三瓣型楔形槽的防逃逸区域，通过指尖与楔形槽的粗定位，实现周向偏差的初步校正，完成主动机构对被动结构的捕获。

所述主动机构对被动结构的拉紧锁合步骤具体为：所述主动机构的手指组件完全收拢，手指组件的指尖与被动结构的凸台斜面完全贴合，拉动被动结构向主动机构靠近，运动过程中不断克服弹簧推杆组件的弹出力；在粗定位销的圆锥面与被动结构端面上的圆锥孔自定心作用下，缩小横向位移偏差和轴向角偏差，在上板端面的端面槽和被动结构上的端面齿的导向作用下，消除横向位移偏差和轴向角偏差；运动到位后，通过蜗轮蜗杆减速箱的反向自锁，传动组件处于死锁位置，实现主动机构对被动结构的拉紧锁合。

所述主动机构对被动结构的分离释放步骤具体为：释放时，驱动组件反向驱动滚珠丝杠，使得移动平台带动手指组件向上运动，当第一指臂的轮槽脱离上板辅助组件的滚轮时，扭簧通过驱动第二指臂带动第一指臂张开，主动机构对被动结构的约束解除；被动结构在弹簧推杆组件弹出力的作用下，实现与主动机构的分离，完成了主动机构对被动结构的分离释放。

采用上述技术方案后，本发明具有以下明显的有益效果：

1、结构重量轻、体积小，适用于本发明的应用对象——空间机械臂承载能力小、机构安装体积有限的特点；

2、捕获容差大，相对于目前的周边式捕获、锥杆式捕获，本发明可通过设计较大的楔形槽和手指张角，实现大容差捕获；

3、机构任务适应性好，本发明不仅可以抓捕安装了被动结构的飞行器，也可用于抓捕有对接框和喷管的卫星，大大拓展了主动机构的任务范围。

附图说明

图1是本发明一实施例的主动机构捕获被动结构示意图；

图2是本发明一实施例的被动结构的结构示意图；

图3是本发明一实施例的主动机构的结构示意图；

图4是本发明一实施例的主动机构的上板辅助组件的结构示意图；

图5是本发明一实施例的主动机构的弹簧推杆组件结构示意图；

图6是本发明一实施例的主动机构的单套手指组件的结构示意图；

图7是本发明一实施例的主动机构的传动组件结构示意图；

图8是本发明一实施例的主动机构的驱动组件结构示意图；

图9是本发明一实施例的主动机构的外壳组件结构示意图；

图中标记：

201-上板辅助组件；202-传动组件；203-驱动组件；204-外壳组件；205-手指组件

1-被动结构；2-主动机构；3-上板；4-微动开关；5-弹簧推杆组件；6-粗定位销；7-滚轮连接板；8-滚轮；9-外筒；10-弹簧；11-弹簧轴；12-推杆；13-二级齿轮；14-丝杠螺母；15-移动平台；16-滚珠丝杠；17-直流无刷电机；18-行星减速箱；19-一级齿轮；20-蜗轮蜗杆减速箱；21-底板；22-外壳；23-微动开关；24-导轨；25-滑块；26-第一指臂；27-第一指轴；28-第二指臂；29-第二指轴；30-扭簧；31-基座；32-第三指轴；33-第三指臂；34-第四指轴；35-指尖；36-飞行器连接接口；37-凸台斜面；38-端面齿；39-滑块连接接口；40-手指组件接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明一实施例的主动机构捕获被动结构示意图，被动结构1与主动机构2组成，主动机构2安装于空间机械臂末端。当空间机械臂携带主动机构2逐步靠近被动结构1时，主动机构2对被动结构1进行捕获，依靠被动结构1的楔形槽构型完成周向偏差的初步校正；捕获完成后，主动机构2卡紧被动结构1凸台斜面，继续下拉，直至机构间对接面完全贴合，此时主动机构2反向锁紧，保证一定连接力，从而完成锁合动作；分离释放时，主动机构2反转，逐渐松开被动结构1,弹簧推杆组件5(见图4)的弹性力作用于被动结构1上，使得主、被动结构之间分离，主动机构2由空间机械臂携带后撤，实现与被动结构1的进一步远离。

图2是本发明一实施例的被动结构的结构示意图，结构上端布置有与飞行器连接的接口。三瓣型结构间形成楔形槽，当手指组件205进入楔形槽后，由于两者之间的姿态偏差，手指将与楔形槽壁互相碰撞，并向槽根部逐渐收拢，直至手指组件205压紧楔形槽，以此完成被动结构周向姿态的初步校正；手指组件205带动被动结构1逐渐靠近主动机构2，考虑到两者之间会存在打滑现象，为防止手指组件205从楔形槽中滑出，在被动结构1下端面设置凸台斜面37，以便在下拉过程中手指钩紧被动结构1。

图3是本发明一实施例的主动机构的结构示意图；主动机构2安装于空间机械臂末端，具有捕获、锁合与分离的功能。主动机构2包括上板辅助组件201、传动组件202、驱动组件203、外壳组件204和手指组件205。整套机构由驱动组件203提供动力，传至传动组件202后，将机械运动传递至手指组件205，在上板辅助组件201和外壳组件204的协助下，完成捕获、锁紧和分离等动作。

图4是本发明一实施例的主动机构的上板辅助组件的结构示意图；上板辅助组件201由上板3、微动开关4、弹簧推杆组件5、粗定位销6、滚轮连接板7和滚轮8组成，各部件均通过螺钉固定在上板3上。在主动机构2拉紧被动结构1过程中，两者间对接面逐渐靠近，在粗定位销6的圆锥面与被动结构端面上的圆锥孔自定心作用下，缩小横向位移偏差和轴向角偏差，在上板3端面的端面槽和被动结构1上的端面齿38的导向作用下，消除横向位移偏差和轴向角偏差；当主动机构2和被动结构1的对接面完全贴合时，会触发微动开关4；在上板四周均布三套滚轮8组件，组件有上下两个滚轮组成，滚轮在第一指臂26(见图6)的轮槽内运动，从而辅助手指组件205完成收拢及张开动作。

图5是本发明一实施例的主动机构的弹簧推杆组件结构示意图；弹簧推杆组件5由推杆外筒9、弹簧10、弹簧轴11、推杆12组成，弹簧轴11上安装弹簧10，推动推杆12在推杆外筒9中上下滑动；在下拉及锁合的过程中，主动机构2拉动被动结构1,使得两者的对接面不断靠近，弹簧推杆组件5初始为完全弹出状态；在拉紧过程中，被动结构1需要不断克服弹簧推杆组件5的弹出力，当主动机构2和被动结构1的对接面完全贴合时，由弹簧推杆组件5提供两者之间的预紧力；在分离过程中，手指组件205完全松开，被动结构1在弹簧推杆组件5弹出力的作用下，实现与主动机构1的分离，完成了主动机构2对被动结构1的分离释放。

图6是本发明一实施例的主动机构的单套手指组件的结构示意图；手指组件205共有三套，每套为一个四连杆机构，包括第一指臂26、第二指臂28、基座31和第三指臂33，功能为实现对被动结构1的捕获及释放动作；基座31与第二指臂28通过第二指轴29连接，第二指轴29前端安装扭簧30与第二指臂28通过销钉连接；当扭簧30转动时，通过销钉带动第二指臂28转动，引起整个四连杆机构的联动，从而实现手指组件205的开打动作；连杆与轴之间均采用轴孔配合、销钉连接；第一指臂26顶端安装非金属材料的指尖35，指尖成凸圆型，与第一指臂26通过螺钉连接,在与被动结构1碰撞过程中起到缓冲作用；在第一指臂26的侧面，开有与滚轮8(见图4)相配合的轮槽。手指组件205捕获原理为：捕获前，第一指臂26在扭簧30的作用下，保持张开状态；工作时，手指组件205跟随移动平台15向下移动，第一指臂26的侧边轮槽受到固定不动的滚轮8(见图4)的约束，第一指臂26将克服扭簧力收拢，直至第一指臂26达到竖直抱紧状态，从而完成捕获动作。

图7是本发明一实施例的主动机构的传动组件结构示意图；丝杠螺母14与移动平台15通过紧固件相连，保持同步运动；移动平台15为一扁平圆盘，其上设计有三套与手指组件205的安装接口；平台边缘均布3组与滑块25(见图9)的连接接口，工作时，移动平台15带动滑块25沿着导轨24上下滑动，并带有触发微动开关23的功能。

图8是本发明一实施例的主动机构的驱动组件结构示意图；驱动组件203包括直流无刷电机17、行星减速箱18、一级齿轮19、涡轮蜗杆减速箱20与底板21；其中，直流无刷电机17、行星减速箱18与蜗轮蜗杆减速箱20配套安装，直流无刷电机17提供动力源，经由行星减速箱18输出至蜗轮蜗杆减速箱20上；一级齿轮19通过销钉固定在蜗轮蜗杆减速箱20输出端，与之相配合的二级齿轮13通过平键和螺钉固定在滚珠丝杠16(见图7)上，以此实现驱动组件203对传动组件202的动力输入；蜗轮蜗杆减速器除传送动力外，在主动机构2锁紧状态下，通过其自锁功能，还能起到保持机构间连接力的作用；上述各部分皆连接在底板21上。

图9是本发明一实施例的主动机构的外壳组件结构示意图；外壳组件204包括外壳22、微动开关23、导轨24和滑块25,滑块25通过移动副连接在导轨24上，微动开关23与导轨通过螺栓固定在外壳22上。

下面进一步对本发明的捕获、锁合和释放工作过程进行描述。

空间机械臂携带主动机构2按照一定要求接近被动结构1，建立起捕获初始条件。当机械臂监控系统监测到主动机构2进入到捕获范围内时，机械臂停止动作，主动机构2进入捕获工作状态。此时，手指组件205在扭簧30作用下处于打开状态。捕获时，驱动组件203的直流无刷电机17接受控制指令启动，通过行星减速箱18、蜗轮蜗杆减速箱20、一级齿轮19及二级齿轮13将运动和扭矩传递给丝杠螺母14，通过丝杠螺母副将输入的旋转运动转化为直线运动输出，带动移动平台15竖直向下运动，与移动平台15固接的手指组件204也同步下移。当处于打开状态的第一指臂26的轮槽碰到滚轮8后，受滚轮8的约束收拢，并在扭簧30打开力共同作用下，达到竖直抱紧状态，实现捕获动作。

拉紧锁合过程中，指尖35进入被动结构1的楔形槽内，并以收敛的趋势向楔形槽内部运动，在两者相互碰撞过程中，依靠被动结构1构型完成姿态校正，凸台斜面37可防止指尖35由于打滑而脱离被动结构1；手指组件205的指尖35与被动结构1的凸台斜面37完全贴合，拉动被动结构1向主动机构2靠近，运动过程中不断克服弹簧推杆组件5的弹出力；在粗定位销6的圆锥面与被动结构端面上的圆锥孔自定心作用下，缩小横向位移偏差和轴向角偏差，在上板端面的端面槽和被动结构上的端面齿38的导向作用下，消除横向位移偏差和轴向角偏差；当主动机构2与被动结构1的对接面完全贴合时，触发微动开关4，发出运动到位信号，通过蜗轮蜗杆减速箱20的反向自锁，传动组件处于死锁位置，实现主动机构对被动结构的拉紧锁合。

分离时，直流无刷电机17接受控制指令反转，经传动链至丝杠螺母14，带动手指组件205做竖直向上运动，此时由于弹簧推杆组件5弹性力的作用，带动被动结构1跟随手指组件205同步上升，直至滚轮8脱离第一指臂26的轮槽时，手指组件205在扭簧30的作用下张开，释放被动结构1。当移动平台15触发微动开关23时，控制直流无刷电机17停转，此时手指组件205处于完全打开状态，主动机构2各个部分恢复到捕获初始状态，为下一次捕获做好准备。经由空间机械臂运动，使得主动机构2与被动结构1进一步远离，从而完成分离动作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种空间捕获锁紧装置，包括空间飞行器上的被动结构和空间机械臂上的主动机构，其特征在于：所述被动结构为三瓣型结构；所述主动机构包括外壳组件、驱动组件、传动组件、上板辅助组件和三套手指组件，所述外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件、上板辅助组件和手指组件，其中所述上板辅助组件包括滚轮，所述手指组件包括四连杆机构，所述驱动组件驱动所述传动组件，使所述传动组件将回转运动转换成直线运动，所述传动组件控制所述手指组件的向上移动和向下移动，三套所述手指组件向下移动时受所述滚轮的压缩而合拢，进而夹取结构与之相适配的所述被动结构；所述手指组件向上移动时所述四连杆机构联动，驱动所述手指组件张开，进而释放所述被动结构。

2.如权利要求1所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：所述驱动组件包括直流无刷电机、行星减速箱、蜗轮蜗杆减速箱、一级齿轮，所述直流无刷电机通过所述行星减速箱带动所述蜗轮蜗杆减速箱，所述蜗轮蜗杆减速箱通过所述一级齿轮带动所述传动组件。

3.如权利要求1所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：传动组件包括二级齿轮、丝杠螺母、滚珠丝杠、移动平台，所述驱动组件驱动所述二级齿轮转动，所述二级齿轮带动所述滚珠丝杠转动，所述滚珠丝杠驱动所述丝杠螺母沿直线运动，进而带动所述移动平台和所述手指组件的向上或向下移动。

4.如权利要求1所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：所述上板辅助组件包括上板、微动开关、粗定位销和/或弹簧推杆组件，所述微动开关、粗定位销、滚轮和/或弹簧推杆组件固定在所述上板上，所述粗定位销与所述被动结构结合，进而触动所述微动开关，使得所述驱动组件反向自锁，所述被动结构在所述弹簧推杆组件的弹力作用下与所述主动机构分离。

5.如权利要求4所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：所述弹簧推杆组件包括外筒、弹簧、弹簧轴、推杆，所述弹簧安装在所述弹簧轴上，所述弹簧推动所述推杆在所述推杆外筒中向上移动，进而推动所述被动结构。

6.如权利要求1所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：所述四连杆机构包括第一指臂、第二指臂、基座、第三指臂，所述基座与所述第二指臂通过指轴连接，所述第二指臂与所述第一指臂通过指轴连接，所述扭簧与所述第二指臂通过销钉连接，所述基座与所述第三指臂通过指轴连接，所述第三指臂与所述第一指臂通过指轴连接，所述扭簧转动时，通过销钉带动所述第二指臂转动，进而带动所述第一指臂转动，从而实现所述手指组件的张开动作。

7.如权利要求6所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：所述第一指臂侧面开有轮槽，所述轮槽与所述滚轮相配合，所述手指组件向下移动时，所述滚轮压缩所述第一指臂，使得所述手指组件逐渐收拢。

8.如权利要求6所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：所述指臂顶端安装有非金属材料的指尖，所述指尖呈凸圆型。

9.如权利要求1所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：所述被动结构的上端面布置有飞行器连接接口，下端面布置有与所述上板辅助组件进行粗定位的孔，所述三瓣型结构的每瓣之间形成楔形槽，所述楔形槽的下端面设有凸台斜面。

10.如权利要求1所述的空间捕获锁紧装置，其特征在于：所述外壳组件包括外壳、微动开关、导轨和沿所述导轨滑动的滑块，所述微动开关、导轨固定在所述外壳上，所述传动组件带动所述滑块沿所述导轨滑动，进而触动所述微动开关，从而控制所述驱动组件停止运动。