空间锁定电气连接一体化机构的制作方法

专利名称：空间锁定电气连接一体化机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空间电气连接机构。
背景技术：
空间大型机械手与载荷舱之间的连接刚度和电气连接是空间操作技术发展的重 要组成部分。目前，国内机械手如北京航天航空大学、中科院合肥智能研究所设计的空间机 械手只能够满足小载荷(数十千克)连接所需要的刚度，而且机械手本身不带有电气连接 机构，需要宇航员舱外操作才能实现电气连接，这极大的限制了空间机械手技术的发展。

发明内容
本发明的目的是为解决现有机械手只能够满足小载荷(数十千克)连接所需要的 刚度，且机械手自身不带有电气连接机构，完成电气连接需要宇航员舱外操作的问题，提供 一种空间锁定电气连接一体化机构。 本发明包括捕获接口装置、捕获装置、拖动装置、支撑圆筒、机械手法兰、凸轮定位
装置、四个锁定机构、大齿轮、驱动齿轮、第三谐波减速器、第三直流无刷电机、第三电磁制
动器和电气插头，所述拖动装置、捕获装置和凸轮定位装置上的凸轮定位环由下至上依次
设置在支撑圆筒的内腔中，机械手法兰与支撑圆筒的下端面连接，捕获接口装置位于凸轮
定位装置上的凸轮定位环的上方，且捕获装置上的三根钢丝绳与捕获接口装置上的捕获锥
接触，安装在捕获接口装置上的定位凸轮设置在凸轮定位环上的定位槽中，四个锁定机构
均布在支撑圆筒外，且每个锁定机构上的支撑体上的圆弧面与支撑圆筒的上端外侧壁固
接，大齿轮固装在支撑圆筒的下端，且大齿轮同时与四个锁定机构上的外齿和驱动齿轮啮
合，驱动齿轮设置在第三谐波减速器的输出端上，第三谐波减速器的输入端与第三直流无
刷电机的输出端连接，第三电磁制动器设置在第三直流无刷电机的输入端上，第三直流无
刷电机固装在支撑圆筒的外侧壁上，捕获接口装置上的每个锁定槽中装有一个电气插头。 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，通过旋转环
相对于固定环的旋转实现钢丝绳的张开或闭合，进而实现空间载荷舱的捕获；本发明利用
拖动装置上的滚珠丝杠与滚珠螺母的传动将空间载荷舱进一步向支撑圆筒方向拖动，在凸
轮定位装置上的三个定位凸轮与三个定位槽严密配合的同时，实现了空间载荷舱上的捕获
接口装置与捕获装置、拖动装置、支撑圆筒和机械手法兰的组件精确定位和可靠连接；本发
明利用四个锁定机构上的锁定爪锁定捕获接口装置，增加了捕获接口装置与捕获装置、拖
动装置、支撑圆筒和机械手法兰的组件的连接刚度，从而保证空间载荷舱的安全有效操作，
提高空间操作的成功率和准确率；在完成锁定操作以后，利用电气插座与电气插头完成电
气连接，实现空间载荷舱与捕获装置、拖动装置、支撑圆筒、机械手法兰和四个锁定机构的
能源和控制信号连通，真正地由单纯的捕获转变成联合工作，不需要宇航员舱外操作即可
实现电气连接，实现了整体操作。二、本发明具有捕获质量大0 40t)，本体质量小，连接精
度高等优点，在空间机械臂领域将发挥巨大的作用。


图l是本发明的整体结构立体图；图2是本发明的整体外部结构主视图；图3是图 2的A-A剖视图；图4是图3的B-B剖视图；图5是直线支撑体7_1的结构立体图；图6是 立板7-14的结构立体图；图7是电气插座架7-7的结构立体图；图8是锁定爪7-16的结构 立体图；图9是丝杠7-3、插座架支撑体7-5、电气插座架7_7、电气插座7_8、第二直线电位 计7-21和直线电位计电刷7-22的连接结构立体图；图10是捕获接口装置1、捕获装置2、 拖动装置3、支撑圆筒4、机械手法兰5和凸轮定位装置6的连接结构主剖视图；图11是捕 获接口装置1和捕获装置2的连接结构主剖视图；图12是拖动力矩传感器3-9的结构立体 图；图13是捕获接口装置1的结构立体图；图14是六个冗余平面检测开关组件7、凸轮定 位装置6与支撑圆筒4连接位置立体图；图15是冗余平面检测开关组件7的结构立体图； 图16是冗余平面检测开关组件7的结构立体图(去掉接触开关罩7-6);图17是捕获装置 2上的旋转环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18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19是三 根钢丝绳2-10缠绕住捕获锥1-2的状态图，图20是本发明的工作原理图，即捕获接口装置 1刚被捕获装置2捕获后，捕获接口装置1与支撑圆筒4的上端面存在较大的位移和角度误 差的状态图；图21是本发明的工作原理图，即三根钢丝绳2-10锁定捕获接口装置l，縮小 了捕获接口装置1与支撑圆筒4的上端面之间的误差的状态图；图22是本发明的工作原理 图，捕获接口装置1在拖动装置3和凸轮定位装置6的作用下，捕获接口装置1与支撑圆筒 4的上端面之间的误差完全消除的状态图；图23是锁定机构7的工作原理图(锁定机构7 处于未工作状态)，图24是锁定机构7的工作原理图(锁定机构7进入捕获接口装置1上 的锁定槽1-1-1中的状态)、图25是锁定机构7的工作原理图(锁定机构7卡在捕获接口 装置1上的锁定槽1-1-1中的状态)；图26是将捕获装置2、拖动装置3、支撑圆筒4和机 械手法兰5的组件安装于机械臂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。
具体实施例方式
具体实施方式
一 结合图1、图2和图13说明本实施方式，本实施方式包括捕获接 口装置1、捕获装置2、拖动装置3、支撑圆筒4、机械手法兰5、凸轮定位装置6、四个锁定机 构7、大齿轮8、驱动齿轮9、第三谐波减速器13、第三直流无刷电机14、第三电磁制动器15 和电气插头16，所述拖动装置3、捕获装置2和凸轮定位装置6上的凸轮定位环6-1由下至 上依次设置在支撑圆筒4的内腔中，机械手法兰5通过连接件与支撑圆筒4的下端面连接， 捕获接口装置1位于凸轮定位装置6上的凸轮定位环6-1的上方，且捕获装置2上的三根 钢丝绳2-10与捕获接口装置1上的捕获锥l-2接触，安装在捕获接口装置1上的定位凸轮 6-2设置在凸轮定位环6-1上的定位槽6-1-1中，四个锁定机构7均布在支撑圆筒4外，且 每个锁定机构7上的支撑体7-1上的圆弧面7-1-1与支撑圆筒4的上端外侧壁固接，大齿轮 8通过轴承固装在支撑圆筒4的下端，且大齿轮8同时与四个锁定机构7上的外齿7-4-2-1 和驱动齿轮9啮合，驱动齿轮9设置在第三谐波减速器13的输出端上，第三谐波减速器13 的输入端与第三直流无刷电机14的输出端连接，第三电磁制动器15设置在第三直流无刷
7电机14的输入端上，第三直流无刷电机14通过连接件固装在支撑圆筒4的外侧壁上，捕获 接口装置1上的每个锁定槽1-1-1中装有一个电气插头16。第三电磁制动器15的型号为 KEB COMBIPERM，第三电磁制动器15起断电锁定的作用。第三直流无刷电机14的型号为 Kit Frameless ;第三谐波减速器13的型号为HFUS-20-80-2S0，减速比为80。驱动齿轮9 的齿数为17、模数为2，大齿轮8的齿数为272、模数为2。
具体实施方式
二 结合图2 图9说明本实施方式，本实施方式的每个锁定机构7 由直线支撑体7-l、直线轴承7-2、丝杠7-3、丝杠驱动总成7-4、插座架支撑体7-5、压紧螺母 7-6、电气插座架7-7、电气插座7-8、两个第一销轴7-9、两个第一滑轮7-10、导杆7-11、锁紧 力矩传感器7-12、缓冲弹簧7-13、两个立板7-14、两个第二销轴7-15、两个锁定爪7_16、两 个第三销轴7-17、两个第三滑轮7-18、两个复位弹簧7-19、两个第六销轴7-20、第二直线电 位计7-21和直线电位计电刷7-22组成，直线支撑体7-1与支撑圆筒4相对的端面上设有 与支撑圆筒4的外径相一致的圆弧面7-1-1，直线支撑体7-1上的圆弧面7-1-1外侧设有凸 缘7-1-2，凸缘7-1-2的上端面上设有凹槽7-1-3，凹槽7-1-3两侧的凸缘侧壁的上端面设 有斜面7-1-5，凸缘7-1-2的两侧端面上设有导轨槽7-1-4，凹槽7-1-3的底端面上设有直 线轴承孔7-1-5，直线轴承7-2设置在直线轴承孔7-1-5中，丝杠7-3设置在直线轴承7_2 上的中心孔内，丝杠7-3的上端穿过插座架支撑体7-5的中心孔与压紧螺母7-6螺纹连接， 插座架支撑体7-5的上端与电气插座架7-7的下端通过连接件固接，电气插座架7-7的上 端面上设有电气插座槽7-7-1，电气插座7-8安装在电气插座槽7-7-1中，电气插座架7-7 的两端分别设有第一销轴孔7-7-2，每个第一销轴孔7-7-2中装有一个第一销轴7-9，每个 第一销轴7-9上装有一个第一滑轮7-10，导杆7-11套装在丝杠7-3的中部，导杆7-11的下 端设置在锁紧力矩传感器7-12上的中心孔中，缓冲弹簧7-13套装在导杆7-11上，每个立 板7-14的上端设有第二销轴孔7-14-1 ，第二销轴孔7-14-1下方的立板7-14上设有第六销 轴孔7-14-2，位于第六销轴孔7-14-2下方的立板7-14上设有导轨7_14_3，两个立板7_14 对称设置在支撑体7-1的两侧，且立板7-14上的导轨7-14-3设置在与其对应的直线支撑 体7-1上的导轨槽7-1-4中，导轨7-14-3沿导轨槽7-1-4上下滑动，每个立板7_14的下端 面与锁紧力矩传感器7-12的上端面通过连接件连接，两个锁定爪7-16对称设置，且每个锁 定爪7-16上的第二销轴孔7-16-2-3与立板7-14上的第二销轴孔7_14_1通过一个第二销 轴7-15连接，每个锁定爪7-16上的第四销轴7-16-5下方配有一个复位弹簧7_19，且每个 复位弹簧7-19的上端与其对应的第四销轴7-16-5连接，每个复位弹簧7-19的下端与其对 应的第六销轴7-20连接，丝杠7-3的下端设置在丝杠驱动总成7-4中，且丝杠7-3与丝杠 驱动总成7-4上的丝杠螺母7-4-1螺纹连接，第二直线电位计7-21设置在凹槽7-1-3内， 且第二直线电位计7-21通过连接件固装在直线支撑体7-1上，直线电位计电刷7-22设置 在第二直线电位计7-21与插座架支撑体7-5之间，且直线电位计电刷7-22通过连接件固 装在插座架支撑体7-5上，直线电位计电刷7-22的刷头第二直线电位计7-21接触。第二 直线电位计7-21用以检测出锁定机构7的位置，其型号为MBW100，其直线分辨率可以得到 O.Olmm，具有较高的测量精度和重复精度。丝杠7-3的型号为SFU1605-4，导程为5mm。直 线轴承7-2的型号为LM16LUU。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8说明本实施方式，本实施方式的每个锁定爪7-16由 上爪7-16-l、两个下爪7-16-2、第三滑轮7-16-3、第三销轴7_16_4、第四销轴7_16_5、两
8个第五销轴7-16-6和两个第五滑轮7-16-7组成，每个下爪7-16-2的下端设有第五销轴 孔7-16-2-1，每个下爪7-16-2下方设有第五滑轮通槽7-16-2-2，每个下爪7-16-2的上端 设有第二销轴孔7-16-2-3，两个下爪7-16-2平行设置在上爪7_16_1的下方，且两个下爪 7-16-2上的第二销轴孔7-16-2-3正对，两个下爪7_16_2上的第五销轴孔7-16-2-1正对， 上爪7-16-1与两个下爪7-16-2制成一体，每个下爪7-16-2的第五滑轮通槽7-16-2-2处 设有一个第五滑轮7-16-7，每个第五滑轮7-16-7装在与其对应的第五销轴7-16-6上，第 五销轴7-16-6的两端设置在与其对应的第五销轴孔7-16-2-1中，上爪7-16-1上与第一滑 轮7-10相对的一侧端面上设有与第一滑轮7-10的轮弧面相一致的第一滑轮槽7-16-1-1， 上爪7-16-1的上端设有第三滑轮槽7-16-1-2，第三滑轮槽7-16-1-2两侧的上爪7_16_1 上分别设有第三销轴孔7-16-1-3，第三滑轮7-16-3装在第三销轴7-16-4上，第三销轴 7-16-4的两端分别设置在第三滑轮槽7-16-1-2两侧的第三销轴孔7-16-1-3中，上爪 7-16-1的下端设有开口槽7-16-1-4，开口槽7-16-1-4两侧的上爪7-16-1上分别设有第四 销轴孔7-16-l-5，第四销轴7-16-5的两端分别设置在开口槽7-16-1-4两侧的第四销轴孔 7-16-1-5中。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3和图4说明本实施方式，本实施方式的丝杠驱动总成 7-4由丝杠螺母7-4-l、齿轮轴7-4-2和外壳7-4-3组成，齿轮轴7-4-2位于丝杠螺母7-4-1 的下方，且齿轮轴7-4-2与丝杠螺母7-4-1固接，齿轮轴7-4-2上设有外齿7-4_2_1，齿轮轴 7-4-2和丝杠螺母7-4-1的组件通过轴承设置在外壳7-4-3中。其它组成及连接关系与具 体实施方式二或三相同。
具体实施方式
五结合图10、图11和图13说明本实施方式，本实施方式的捕获接 口装置1由捕获接口板l-l、捕获锥l-2、捕获法兰l-3、捕获引导灯l-4和三个连接销1-5 组成，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l-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l-4安装于捕获锥1-2的下端，至少三个连接销l-5均布设置在捕获接口板1-1 的上端面上，捕获接口板1-1的下端面上均布设有四个锁定槽l-l-l，且四个锁定槽1-1-1 与四个锁定机构7—一正对。捕获引导灯l-4起捕获引导作用。捕获接口装置l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
四相同。
具体实施方式
六结合图11说明本实施方式，本实施方式的捕获装置2由第二直 流无刷电机2-l、第二谐波减速器2-2、小齿轮2-3、内齿轮2-4、捕获力矩传感器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-ll、捕获支撑筒2_12、 第二电磁制动器2-13和连接筒2-20组成，第二电磁制动器2-13设置在第二直流无刷电机 2-1的输入端上，第二谐波减速器2-2的输入端与第二直流无刷电机2-1的输出端连接，第 二直流无刷电机2-1和第二谐波减速器2-2设置在捕获支撑筒2-12内腔的下部，且第二直 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，第二谐波减速器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安装在第二谐波减速器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的上端面与捕获力矩传感器2-5的下端 面固接，捕获力矩传感器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
9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的下端与捕获力矩传感器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，连接筒2-20通过连接件与捕获 力矩传感器2-5的下端面连接。第二电磁制动器2-13的型号为KEB COMBIPERM，第二电磁 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。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 作为捕获的执行机构；第二直流无刷电机2-l和第二谐波减速器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17 ;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18 ;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19。第二直流无刷电机2-l的型号为Kit Frameless ;第二谐波减速器2-2的型 号为HFUS-20-80-2S0 ;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 ;捕获力矩传感器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。其它组成及连接关系与具体实施方式
五相同。
具体实施方式
七结合图10和图12说明本实施方式，本实施方式的拖动装置3由 第一直流无刷电机3-l、第一谐波减速器3-2、主动齿轮3-3、被动齿轮3-4、滚珠丝杠3_5、 丝杠法兰3-6、滚珠螺母3-7、压縮弹簧3-8、拖动力矩传感器3-9、第一电磁制动器3_10、三 个导轨组件3-11和直线电位计3-12组成，第一电磁制动器3-10设置在第一直流无刷电 机3-l的输入端上，第一谐波减速器3-2的输入端与第一直流无刷电机3-l的输出端连接， 第一直流无刷电机3-1通过连接件固装在支撑圆筒4的内壁上，第一谐波减速器3-2上的 刚轮通过连接件与第一直流无刷电机3-1下端连接，主动齿轮3-3安装在第一谐波减速器 3-2的输出端上，主动齿轮3-3与被动齿轮3-4啮合，被动齿轮3-4安装在滚珠丝杠3_5的 输入端上，滚珠丝杠3-5的下端通过轴承设置在丝杠法兰3-6中，丝杠法兰3-6通过连接件 与支撑圆筒4的内壁连接，滚珠螺母3-7与滚珠丝杠3-5螺纹连接，压縮弹簧3-8套装在 滚珠螺母3-7上，拖动力矩传感器3-9上的应变梁支撑筒3-9-1套装在压縮弹簧3-8上，且 拖动力矩传感器3-9上的应变梁支撑筒3-9-1通过连接件与滚珠螺母3-7连接，滚珠丝杠 3-5的上端通过轴承与捕获装置2上的连接筒2-20连接，拖动力矩传感器3-9上的三根应 变梁3-9-2的外侧端面与捕获装置2上的捕获支撑筒2-12的内壁连接，三个导轨组件3-11 与支撑圆筒4的轴线平行设置，且三个导轨组件3-11均布设置在捕获装置2上的捕获支 撑筒2-12的外壁处，每个导轨组件3-11由上直线轴承3-ll-l、下直线轴承3-ll-2、上基 座3-ll-3、下基座3-11-4和导轨3-11-5组成，导轨3-11-5的上端穿过上直线轴承3_11_1 上的中心孔且设置在上基座3-11-3上的中心孔内，导轨3-11-5的下端穿过下直线轴承 3-11-2上的中心孔且设置在下基座3-11-4上的中心孔内，每个导轨组件3-11上的上直线 轴承3-11-1和下直线轴承3-11-2分别与捕获装置2上的捕获支撑筒2-12的外壁连接，每 个导轨组件3-11上的上基座3-11-3和下基座3-11-4分别与支撑圆筒4的内壁连接；上直
10线轴承3-11-1和下直线轴承3-11-2的型号均为LM10LUU。沿圆周均布的三个上直线轴承 3-11-1和三个下直线轴承3-11-2作为拖动装置3的支撑机构，具有启动力矩小、摩擦小、传 动稳定的优点；拖动力矩传感器3-9由应变梁支撑筒3-9-l、三根应变梁3-9-2和三个全桥 应变片3-9-3组成，三根应变梁3-9-2均布设置在应变梁支撑筒3-9-1的外径上，三根应变 梁3-9-2的上端面上粘贴有一个全桥应变片3-9-3，每组全桥应变片3-9-3用来检测与其对 应的应变梁3-9-2的应变，拖动力矩传感器3-9可以有效的检测拖动力的大小，实现机械手 的闭环控制，并且可以检测出外加载荷的偏载情况；直线电位计3-12通过连接件固装在捕 获装置2上的捕获支撑筒2-12的外壁上。直线电位计3-12的型号为MBW150，该型号的电 位计其直线分辨率可以达到O. Olmm，具有较高的测量精度和重复精度。直线电位计3-12作 为拖动装置3拖动状态的测量仪器，可以实时反应出拖动装置3的拖动位置。滚珠丝杠3-5 与滚珠螺母3-7传动作为拖动装置3的传动机构，具有启动力矩小、摩擦小、传动平稳、不易 爬行的优点。第一电磁制动器3-10作为驱动拖动装置3的锁定机构，保证在系统断电以后 仍然可以保持拖动状态。第一电磁制动器3-10的型号为KEB COMBIPERM，第一电磁制动器 3-10作为拖动装置3的锁定机构，保证在拖动装置3断电以后仍然可以保持锁定状态，第 一电磁制动器3-10可以在拖动移动完成时，锁定拖动装置3。第一直流无刷电机3-l的型 号为KitFrameless，第一谐波减速器3-2的型号为HFUS-20-80-2S0，利用第一直流无刷电 机3-1和第一谐波减速器3-2作为拖动装置3的拖动驱动机构。主动齿轮3-3和被动齿轮 3-4的齿数均为48、模数为2。滚珠丝杠3-5的型号为SFU3210-4，螺距为10mm。压縮弹簧 3-8有效的减小了拖动装置3在拖动过程中的冲击。其它组成及连接关系与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
八结合图10、图13和图14说明本实施方式，本实施方式的凸轮定 位装置6由凸轮定位环6-1和三个定位凸轮6-2组成，凸轮定位环6-1的端面上均布设有 三个定位槽6-l-l，每个定位槽6-1-1中配有一个定位凸轮6-2，每个定位凸轮6-2的根部 固装在捕获接口装置1上的捕获法兰1-3上。三个定位凸轮6-2在拖动装置3作用下向凸 轮定位环6-1靠近，三个定位凸轮6-2与凸轮定位环6-1上的定位槽6-1-1配合，实现了捕 获接口装置1与支撑圆筒4的精确定位。其它组成及连接关系与具体实施方式
七相同。
具体实施方式
九结合图10、图15和图16说明本实施方式，本实施方式与具体实 施方式八不同的是它还增加有六个冗余平面检测开关组件17，冗余平面检测开关组件17 由开关支撑座17-1、两个开关弹簧17-2、导电长半环17-3、两个导电二分之一长半环17-4、 两个接触开关帽17-5和接触开关罩17-6组成，两个导电二分之一长半环17-4对称设置且 与导电长半环17-3形成长环，两个开关弹簧17-2分别垂直设置在开关支撑座17-1的上端 面上，且两个开关弹簧17-2分别位于长环内孔的两端，每个开关弹簧17-2上套装有一个接 触开关帽17-5，接触开关罩17-6套在两个接触开关帽17-5、导电长半环17-3和两个导电 二分之一长半环17-4的外面，且接触开关罩17-6的底端面与开关支撑座17-1的上端面接 触，凸轮定位装置6上的凸轮定位环6-1的上端面上均布设有六个开关组件安装槽6-1-2， 每个开关组件安装槽6-1-2中装有一个冗余平面检测开关组件17。当拖动完成时，捕获接 口装置1上的捕获接口板1-1的下端面开始触碰接触开关帽17-5顶端，使得接触开关帽 17-5上有外加载荷Fa作用，在载荷Fa的作用下，接触开关帽17_5向下移动，两个导电四 分之一半环17-4与导电长半环17-3构成的闭合电路导通，当捕获完成，而拖动未开始时，捕获接口装置1上的捕获接口板1-1的下端面只接触单个接触开关帽17-5，两个导电四分 之一半环17-4与导电长半环17-3不构成的闭合电路，不会有信号输出，因此，有效地剔除 了由于干扰造成的误信号。开关弹簧17-2起到复位接触开关帽17-5的作用。接触开关罩 17-6起保护作用。开关支撑座17-1起支撑作用。利用六个冗余平面检测开关组件17作为 平面接触的检测设备，有效的剔除了错误的位置和偏载信号。其它组成及连接关系与具体 实施方式八相同。
具体实施方式
十结合图10和图14说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式九不同的是它还增加有摄像头18，摄像头18通过连接件安装在支撑圆筒4的外侧壁上。 捕获装置2、拖动装置3、支撑圆筒4和机械手法兰5的组件在机械臂11的带动下趋近空间 载荷舱10时，摄像头18可以正确引导机械臂11趋近空间载荷舱10上的捕获接口装置1。 其它组成及连接关系与具体实施方式
九相同。 本发明的工作原理见图26，首先将本发明的空间锁定电气连接一体化机构上的 捕获装置2、拖动装置3、支撑圆筒4、机械手法兰5和四个锁定机构7的组件安装于机械臂 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。捕获原理上述组件在机械臂11的带动下趋近捕获接口装置l，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，首先实施捕获。捕获 时，启动第二直流无刷电机2-1，通过第二谐波减速器2-2带动小齿轮2-3转动，通过内齿轮 2-4带动捕获力矩传感器2-5转动，捕获力矩传感器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，见图 20。拖动原理启动第一直流无刷电机3-l，通过第一谐波减速器3-2带动主动齿轮3-3转 动，通过被动齿轮3-4带动滚珠丝杠3-5转动，滚珠螺母3-7沿滚珠丝杠3-5向下移动，通 过拖动力矩传感器3-9带动捕获装置2上的捕获支撑筒2-12向下移动，捕获支撑筒2-12 带动上直线轴承3-11-1和下直线轴承3-11-2沿导轨3-11-5向下移动，即完成空间拖动， 见图21和图22。以一个锁定机构7说明锁紧和电气连接原理在完成空间捕获和空间拖 动后，启动第三直流无刷电机14正转，通过第三谐波减速器13带动驱动齿轮9转动，通过 大齿轮8带动齿轮轴7-4-2上的外齿7-4-2-1转动，齿轮轴7_4_2带动丝杠螺母7_4_1转 动，丝杠7-3沿直线轴承7-2向上移动，丝杠7-3同时带动插座架支撑体7-5向上移动，电 气插座架7-7随之向上移动，两个第一滑轮7-10带动两个锁定爪7-16向上移动，(由于两 个第五滑轮7-16-7是沿直线支撑体7-1的侧端面7-1-6上下滚动)，两个锁定爪7-16分别 通过各自对应的立板7-14带动锁紧力矩传感器7-12、导杆7-11和缓冲弹簧7-13向上，直 至每个锁定爪7-16上的两个第三滑轮7-16-3进入与其对应的捕获接口板1-1上的锁定槽 l-l-l，见图24，此时，第五滑轮7-16-7与斜面7-1-5的下端接触、导杆7_11的上端面与直 线支撑体7-1的下端面接触，导杆7-11将缓冲弹簧7-13压縮；当第五滑轮7-16-7走至斜 面7-1-5的顶端时，锁定爪7-16以第二销轴7-15为轴心，上爪7-16-1向外张，下爪7_16_2 向内收，上爪7-16-1卡在捕获接口板1-1上的锁定槽1-1-1中，同时电气插座7-8与安装 在锁定槽1-1-1中的电气插头16连接，见图25，即锁紧和电气连接同步完成。第三直流无 刷电机14反转，锁定机构7恢复到原始位置，见图23。
1权利要求
一种空间锁定电气连接一体化机构，所述机构包括捕获接口装置(1)、捕获装置(2)、拖动装置(3)、支撑圆筒(4)、机械手法兰(5)和凸轮定位装置(6)，所述拖动装置(3)、捕获装置(2)和凸轮定位装置(6)上的凸轮定位环(6-1)由下至上依次设置在支撑圆筒(4)的内腔中，机械手法兰(5)与支撑圆筒(4)的下端面连接，捕获接口装置(1)位于凸轮定位装置(6)上的凸轮定位环(6-1)的上方，且捕获装置(2)上的三根钢丝绳(2-10)与捕获接口装置(1)上的捕获锥(1-2)接触，安装在捕获接口装置(1)上的定位凸轮(6-2)设置在凸轮定位环(6-1)上的定位槽(6-1-1)中，其特征在于所述机构还包括四个锁定机构(7)、大齿轮(8)、驱动齿轮(9)、第三谐波减速器(13)、第三直流无刷电机(14)、第三电磁制动器(15)和四个电气插头(16)，四个锁定机构(7)均布在支撑圆筒(4)外，且每个锁定机构(7)上的支撑体(7-1)上的圆弧面(7-1-1)与支撑圆筒(4)的上端外侧壁固接，大齿轮(8)固装在支撑圆筒(4)的下端，且大齿轮(8)同时与四个锁定机构(7)上的外齿(7-4-2-1)和驱动齿轮(9)啮合，驱动齿轮(9)设置在第三谐波减速器(13)的输出端上，第三谐波减速器(13)的输入端与第三直流无刷电机(14)的输出端连接，第三电磁制动器(15)设置在第三直流无刷电机(14)的输入端上，第三直流无刷电机(14)固装在支撑圆筒(4)的外侧壁上，捕获接口装置(1)上的每个锁定槽(1-1-1)中装有一个电气插头(16)。
2. 根据权利要求1所述空间锁定电气连接一体化机构，其特征在于所述每个锁定机 构(7)由直线支撑体(7-l)、直线轴承(7-2)、丝杠(7-3)、丝杠驱动总成(7-4)、插座架支撑 体(7-5)、压紧螺母(7-6)、电气插座架(7-7)、电气插座(7-8)、两个第一销轴(7-9)、两个第 一滑轮(7-10)、导杆(7-ll)、锁紧力矩传感器(7-12)、缓冲弹簧(7-13)、两个立板(7-14)、 两个第二销轴(7-15)、两个锁定爪(7-16)、两个第三销轴(7-17)、两个第三滑轮(7-18)、 两个复位弹簧(7-19)、两个第六销轴(7-20)、第二直线电位计(7-21)和直线电位计电刷 (7-22)组成，直线支撑体(7-1)与支撑圆筒(4)相对的端面上设有与支撑圆筒(4)的外径 相一致的圆弧面(7-1-1)，直线支撑体(7-1)上的圆弧面(7-1-1)外侧设有凸缘(7-1-2)， 凸缘(7-1-2)的上端面上设有凹槽(7-1-3)，凹槽(7-1-3)两侧的凸缘侧壁的上端面设有 斜面(7-1-5)，凸缘(7-1-2)的两侧端面上设有导轨槽(7-1-4)，凹槽(7-1-3)的底端面上 设有直线轴承孔(7-1-5)，直线轴承(7-2)设置在直线轴承孔(7-1-5)中，丝杠(7-3)设置 在直线轴承(7-2)上的中心孔内，丝杠(7-3)的上端穿过插座架支撑体(7-5)的中心孔与 压紧螺母(7-6)螺纹连接，插座架支撑体(7-5)的上端与电气插座架(7-7)的下端固接， 电气插座架(7-7)的上端面上设有电气插座槽(7-7-1)，电气插座(7-8)安装在电气插座 槽(7-7-1)中，电气插座架(7-7)的两端分别设有第一销轴孔(7-7-2)，每个第一销轴孔 (7-7-2)中装有一个第一销轴(7-9)，每个第一销轴(7-9)上装有一个第一滑轮(7-10)，导 杆(7-11)套装在丝杠(7-3)的中部，导杆(7-11)的下端设置在锁紧力矩传感器(7-12)上 的中心孔中，缓冲弹簧(7-13)套装在导杆(7-11)上，每个立板(7-14)的上端设有第二销 轴孔(7-14-1)，第二销轴孔(7-14-1)下方的立板(7-14)上设有第六销轴孔(7-14-2)，位 于第六销轴孔(7-14-2)下方的立板(7-14)上设有导轨(7-14-3)，两个立板(7-14)对称 设置在支撑体(7-1)的两侧，且立板(7-14)上的导轨(7-14-3)设置在与其对应的直线支 撑体(7-1)上的导轨槽(7-1-4)中，导轨(7-14-3)沿导轨槽(7-1-4)上下滑动，每个立板 (7-14)的下端面与锁紧力矩传感器(7-12)的上端面连接，两个锁定爪(7-16)对称设置，且 每个锁定爪(7-16)上的第二销轴孔(7-16-2-3)与立板(7-14)上的第二销轴孔(7_14_1)通过一个第二销轴(7-15)连接，每个锁定爪(7-16)上的第四销轴(7-16-5)下方配有一个 复位弹簧(7-19)，且每个复位弹簧(7-19)的上端与其对应的第四销轴(7-16-5)连接，每 个复位弹簧(7-19)的下端与其对应的第六销轴(7-20)连接，丝杠(7-3)的下端设置在丝 杠驱动总成(7-4)中，且丝杠(7-3)与丝杠驱动总成(7-4)上的丝杠螺母(7-4-1)螺纹连 接，第二直线电位计(7-21)设置在凹槽(7-1-3)内，且第二直线电位计(7-21)固装在直 线支撑体(7-1)上，直线电位计电刷(7-22)设置在第二直线电位计(7-21)与插座架支撑 体(7-5)之间，且直线电位计电刷(7-22)固装在插座架支撑体(7-5)上，直线电位计电刷 (7-22)的刷头第二直线电位计(7-21)接触。
3. 根据权利要求2所述空间锁定电气连接一体化机构，其特征在于所述每个锁定 爪(7-16)由上爪(7-16-1)、两个下爪(7-16-2)、第三滑轮(7-16-3)、第三销轴(7-16-4)、 第四销轴(7-16-5)、两个第五销轴(7-16-6)和两个第五滑轮(7-16-7)组成，每个下爪 (7-16-2)的下端设有第五销轴孔(7-16-2-1)，每个下爪(7-16-2)下方设有第五滑轮通槽 (7-16-2-2)，每个下爪(7-16-2)的上端设有第二销轴孔(7-16-2-3)，两个下爪(7-16-2)平 行设置在上爪(7-16-1)的下方，且两个下爪(7-16-2)上的第二销轴孔(7-16-2-3)正对， 两个下爪(7-16-2)上的第五销轴孔(7-16-2-1)正对，上爪(7-16-1)与两个下爪(7_16_2) 制成一体，每个下爪(7-16-2)的第五滑轮通槽(7-16-2-2)处设有一个第五滑轮(7_16_7)， 每个第五滑轮(7-16-7)装在与其对应的第五销轴(7-16-6)上，第五销轴(7-16-6)的 两端设置在与其对应的第五销轴孔(7-16-2-1)中，上爪(7-16-1)上与第一滑轮(7-10) 相对的一侧端面上设有与第一滑轮(7-10)的轮弧面相一致的第一滑轮槽(7-16-1-1)， 上爪(7-16-1)的上端设有第三滑轮槽(7-16-1-2)，第三滑轮槽(7-16-1-2)两侧的上爪 (7-16-1)上分别设有第三销轴孔(7-16-1-3)，第三滑轮(7-16-3)装在第三销轴(7_16_4) 上，第三销轴(7-16-4)的两端分别设置在第三滑轮槽(7-16-1-2)两侧的第三销轴孔 (7-16-1-3)中，上爪(7-16-1)的下端设有开口槽(7-16-1-4)，开口槽(7-16-1-4)两侧的 上爪(7-16-1)上分别设有第四销轴孔(7-16-1-5)，第四销轴(7-16-5)的两端分别设置在 开口槽(7-16-1-4)两侧的第四销轴孔(7-16-1-5)中。
4. 根据权利要求2或3所述空间锁定电气连接一体化机构，其特征在于所述丝杠驱 动总成(7-4)由丝杠螺母(7-4-1)、齿轮轴(7-4-2)和外壳(7_4_3)组成，齿轮轴(7_4_2)位 于丝杠螺母(7-4-1)的下方，且齿轮轴(7-4-2)与丝杠螺母(7-4-1)固接，齿轮轴(7_4_2) 上设有外齿(7-4-2-1)，齿轮轴(7-4-2)和丝杠螺母(7-4-1)的组件设置在外壳(7_4_3) 中。
5. 根据权利要求4所述空间锁定电气连接一体化机构，其特征在于所述捕获接口装 置(1)由捕获接口板(l-l)、捕获锥(l-2)、捕获法兰(l-3)、捕获引导灯(1-4)和三个连 接销(1-5)组成，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，捕获接口板(1-1)的下端面上均布设有四个锁定槽 (1-1-1)，且四个锁定槽(1-1-1)与四个锁定机构(7) —一正对。
6. 根据权利要求5所述空间锁定电气连接一体化机构，其特征在于所述捕获装置 (2)由第二直流无刷电机(2-l)、第二谐波减速器(2-2)、小齿轮(2-3)、内齿轮(2-4)、捕获力矩传感器(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-ll)、捕获支撑筒(2-12)、第二电磁制动器(2-13)和连接筒(2-20)组 成，第二电磁制动器(2-13)设置在第二直流无刷电机(2-1)的输入端上，第二谐波减速器 (2-2)的输入端与第二直流无刷电机(2-1)的输出端连接，第二直流无刷电机(2-1)和第 二谐波减速器(2-2)设置在捕获支撑筒(2-12)内腔的下部，且第二直流无刷电机(2-1)固 装在捕获支撑筒(2-12)的内壁上，第二谐波减速器(2-2)上的刚轮与捕获支撑筒(2-12) 的侧壁固接，小齿轮(2-3)安装在第二谐波减速器(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)的上端面与捕获力矩传感器(2-5)的下端面固接，捕获力 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)的下端与捕获力矩传感器(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，连 接筒(2-20)与捕获力矩传感器(2-5)的下端面连接。
7.根据权利要求6所述空间锁定电气连接一体化机构，其特征在于所述拖动装置(3) 由第一直流无刷电机(3-l)、第一谐波减速器(3-2)、主动齿轮(3-3)、被动齿轮(3-4)、滚 珠丝杠(3-5)、丝杠法兰(3-6)、滚珠螺母(3-7)、压縮弹簧(3-8)、拖动力矩传感器(3-9)、 第一电磁制动器(3-10)、三个导轨组件(3-11)和直线电位计(3-12)组成，第一电磁制动 器(3-10)设置在第一直流无刷电机(3-1)的输入端上，第一谐波减速器(3-2)的输入端 与第一直流无刷电机(3-1)的输出端连接，第一直流无刷电机(3-1)固装在支撑圆筒(4) 的内壁上，第一谐波减速器(3-2)上的刚轮与第一直流无刷电机(3-1)下端连接，主动齿 轮(3-3)安装在第一谐波减速器(3-2)的输出端上，主动齿轮(3-3)与被动齿轮(3-4)啮 合，被动齿轮(3-4)安装在滚珠丝杠(3-5)的输入端上，滚珠丝杠(3-5)的下端设置在丝 杠法兰(3-6)中，丝杠法兰(3-6)与支撑圆筒(4)的内壁连接，滚珠螺母(3-7)与滚珠丝 杠(3-5)螺纹连接，压縮弹簧(3-8)套装在滚珠螺母(3-7)上，拖动力矩传感器(3-9)上的 应变梁支撑筒(3-9-1)套装在压縮弹簧(3-8)上，且拖动力矩传感器(3-9)上的应变梁支 撑筒(3-9-1)与滚珠螺母(3-7)连接，滚珠丝杠(3-5)的上端与捕获装置(2)上的连接筒 (2-20)连接，拖动力矩传感器(3-9)上的三根应变梁(3-9-2)的外侧端面与捕获装置(2) 上的捕获支撑筒(2-12)的内壁连接，三个导轨组件(3-11)与支撑圆筒(4)的轴线平行设 置，且三个导轨组件(3-11)均布设置在捕获装置(2)上的捕获支撑筒(2-12)的外壁处， 每个导轨组件(3-11)由上直线轴承(3-11-1)、下直线轴承(3-11-2)、上基座(3-11-3)、下 基座(3-11-4)和导轨(3-11-5)组成，导轨(3-11-5)的上端穿过上直线轴承(3-11-1)上 的中心孔且设置在上基座(3-11-3)上的中心孔内，导轨(3-11-5)的下端穿过下直线轴承 (3-11-2)上的中心孔且设置在下基座(3-11-4)上的中心孔内，每个导轨组件(3-11)上的 上直线轴承(3-11-1)和下直线轴承(3-11-2)分别与捕获装置(2)上的捕获支撑筒(2-12) 的外壁连接，每个导轨组件(3-11)上的上基座(3-11-3)和下基座(3-11-4)分别与支撑圆筒(4)的内壁连接，拖动力矩传感器(3-9)由应变梁支撑筒(3-9-1)、三根应变梁(3-9-2) 和三个全桥应变片(3-9-3)组成，三根应变梁(3-9-2)均布设置在应变梁支撑筒(3-9-1) 的外径上，三根应变梁(3-9-2)的上端面上粘贴有一个全桥应变片(3-9-3)，直线电位计 (3-12)固装在捕获装置(2)上的捕获支撑筒(2-12)的外壁上。
8. 根据权利要求7所述用于太空环境的大型机械手，其特征在于所述凸轮定位装置 (6)由凸轮定位环(6-1)和三个定位凸轮(6-2)组成，凸轮定位环(6-1)的端面上均布设有 三个定位槽(6-1-1)，每个定位槽(6-1-1)中配有一个定位凸轮(6-2)，每个定位凸轮(6-2) 的根部固装在捕获接口装置(1)上的捕获法兰(1-3)上。
9. 根据权利要求8所述用于太空环境的大型机械手，其特征在于所述机械手还包括 六个冗余平面检测开关组件(17)，所述冗余平面检测开关组件(17)由开关支撑座(17-1)、 两个开关弹簧(17-2)、导电长半环(17-3)、两个导电二分之一长半环(17-4)、两个接触开 关帽(17-5)和接触开关罩(17-6)组成，两个导电二分之一长半环(17-4)对称设置且与导 电长半环(17-3)形成长环，两个开关弹簧(17-2分别垂直设置在开关支撑座(17-1)的上 端面上，且两个开关弹簧(17-2)分别位于长环内孔的两端，每个开关弹簧(17-2)上套装 有一个接触开关帽(17-5)，接触开关罩(17-6)套在两个接触开关帽(17-5)、导电长半环 (17-3)和两个导电二分之一长半环(17-4)的外面，且接触开关罩(17-6)的底端面与开关 支撑座(17-1)的上端面接触，凸轮定位装置(6)上的凸轮定位环(6-1)的上端面上均布设 有六个开关组件安装槽(6-1-2)，每个开关组件安装槽(6-1-2)中装有一个冗余平面检测 开关组件(17)。
10. 根据权利要求9所述用于太空环境的大型机械手，其特征在于所述机械手还包括 摄像头(18)，摄像头(18)通过连接件安装在支撑圆筒(4)的外侧壁上。
全文摘要
空间锁定电气连接一体化机构，它涉及一种空间连接机构。本发明为解决现有机械手只能满足小载荷连接所需的刚度，且机械手自身不带电气连接机构的问题。本发明拖动装置、捕获装置和凸轮定位装置上的凸轮定位环由下至上依次设置在支撑圆筒的内腔中，三根钢丝绳与捕获锥接触，安装在捕获接口装置上的定位凸轮装在定位槽中，四个锁定机构均布在支撑圆筒外，且每个锁定机构上的支撑体与支撑圆筒外侧壁固接，大齿轮装在支撑圆筒的下端，大齿轮与四个锁定机构上的外齿和驱动齿轮啮合，驱动齿轮与第三谐波减速器连接，第三谐波减速器与第三直流无刷电机连接，每个锁定槽中装有一个电气插头。本发明用于空间大容差、微重力的环境下捕获空间载荷舱。
文档编号B25J9/08GK101722509SQ20091007329
公开日2010年6月9日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者刘伊威, 刘宏, 王滨, 谭益松 申请人:哈尔滨工业大学