专利名称：空间机器人轨道工具更换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空间机器人轨道工具更换器，属于空间机器人在轨服务领域。
背景技术：
随着技术的进步，人类的活动在不断地向太空扩展。据统计，全球平均每年发射 80 130颗卫星，然而有2 3颗卫星未能正确入轨，而正确入轨的卫星中，又有5 10颗在寿命初期即失效，这导致了巨大的经济损失。为了尽可能挽回损失，各国正在研究以空间机器人为手段，以卫星维修、生命延长及太空垃圾清除为目的的空间机器人在轨服务技术。然而，空间作业的复杂性决定了靠单一末端工具无法完成所有的在轨任务，因此， 需要研制一套多工具系统以适应不同的任务。工具的多样性决定了其在轨必须具有可更换性。因此，不仅要研制可更换末端操作器，更需要研制与其配套的轨道工具更换器，以实现不同在轨工具的更换。轨道工具更换器与末端工具有两种接口形式，一种是电传递，包括电能的供给和控制信号的发送；另一种是机械传递，即末端工具更换器直接将电机旋转力矩经机械接口传递给末端工具。这两种接口对于空间在轨服务均具有重要的作用，通常，轨道工具更换器要兼备这两种接口形式。受机械臂的精度所限，轨道工具更换器必须具有较大的位姿容差能力，以便顺利实现与可更换末端器的对接。目前，经在轨验证的轨道工具更换器主要包括两种一种是加拿大研制的用 T SPDM(Special Purpose Dextrous Manipulator) ^ μ W OTCM(ORU Tool Changeout Mechanism)，一种是日本ETS VII演示验证项目上空间机械臂末端的工具接口。前者质量达600kg(用于空间站)，这对于一个在轨服务机器人而言，如此大的质量几乎是不可接受的；后者包含三个手爪，结构过于复杂，影响了空间作业的可靠性。据目前掌握的资料来看，现有技术中尚未成功研制质量小、体积小、低功耗、大位姿容差以及高可靠性的空间机器人轨道工具更换器。
发明内容
本发明为了解决现有的轨道工具更换器存在空间作业的可靠性差、无法实现大位姿容差、功耗高、质量大、体积大等问题，而提提供了一种空间机器人轨道工具更换器，旨在为空间机器人在轨作业提供多种操作工具。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是本发明所述的空间机器人轨道工具更换器包括壳体、底端盖、下支撑环、上支撑环、电路板支撑架、电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统，上支撑环、下支撑环、电路板支撑架由上至下依次安装在壳体内，电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统均置于壳体内，电气系统置于电路板支撑架上，壳体下端端面与底端盖连接；所述第一套驱动系统包括第一输入装置、第一传动装置和第一输出装置，第一输入装置为第一含行星减速器电机，第一传动装置包括第一小齿轮、传动轴齿轮和传动轴，所述第一输出装置为螺栓套筒；第一含行星减速器电机固定在下支撑环上，第一小齿轮固定在第一含行星减速器电
4机的输出轴上，传动轴齿轮安装在传动轴上，第一小齿轮与传动轴齿轮啮合，传动轴由一对深沟球轴承支撑，所述一对深沟球轴承分别嵌入到下支撑环和上支撑环上，螺栓套筒由压缩弹簧、压板固定在传动轴上；在与工具端的螺栓头对接时，通过压紧压缩弹簧以及旋转传动轴可使工具头螺栓嵌入到螺栓套筒中；所述第二套驱动系统包括第二输入装置、用于工具端锁紧的第二传动装置、用于电连接器对接的第二传动装置、用于工具端锁紧的第二输出装置和用于电连接器对接的第二输出装置；第二输入装置为第二含行星减速器电机；用于工具端锁紧的第二传动装置包括第二小齿轮、凸轮长轴齿轮、凸轮长轴、凸轮短轴两个凸轮、两个钢丝轮和钢丝，用于工具端锁紧的第二输出装置为两个锁紧指；用于电连接器对接的第二传动装置包括第二小齿轮、凸轮长轴齿轮和两套曲柄连杆机构，用于电连接器对接的第二输出装置为滑块；第二含行星减速器电机固定在电机座上，电机座固定在下支撑环上，第二小齿轮固定在第二含行星减速器电机的输出轴上，凸轮长轴齿轮安装在凸轮长轴上，第二小齿轮与凸轮长轴齿轮啮合，凸轮长轴由一对轴承支撑，轴承嵌入到相应的轴承座中，凸轮长轴由凸轮长轴轴承端盖实现轴向定位，凸轮长轴轴承端盖固定在轴承座上，轴承座固定在下支撑环上，凸轮短轴也由一对轴承支撑在轴承座上，并通过凸轮短轴轴承端盖实现轴向固定，凸轮长轴和凸轮短轴上各安装有一个凸轮；凸轮长轴和凸轮短轴上方各设置有一个锁紧指心轴，每个锁紧指通过滑动轴承支撑于锁紧指心轴上并通过挡圈实现轴向定位，每个锁紧指心轴固定于相应的心轴座上，心轴座固定在上支撑环上，每个锁紧指的根部装有滚子，滚子通过滑动轴承安装在相应的滚子心轴上，使滚子始终贴紧在凸轮上；通过凸轮的轮廓使锁紧指按所设计的规律运动，从而让凸轮带动从锁紧指运动，将工具端接口压紧在壳体上；凸轮长轴和凸轮短轴上分别固装有一个钢丝轮，凸轮长轴一侧钢丝轮通过钢丝带动凸轮短轴一侧钢丝轮转动，经钢丝传动将凸轮长轴上的输入力矩传递给凸轮短轴；每套曲柄连杆机构包含曲柄和连杆，一套曲柄连杆机的曲柄固定在凸轮长轴上，连杆的一端与曲柄通过销轴连接，在销轴上与连杆相连的部位放置滑动轴承，两套曲柄连杆机构对称布置，由凸轮短轴所驱动的另一套曲柄连杆机构的连接定位方式与凸轮长轴的一侧相同；滑块与两个连杆的另一端连接，滑块上装有电连接器。本发明的轨道工具更换器具有以下特点1.通过凸轮机构来实现对工具端接口的压紧固定；2.通过圆锥面与工具端口对接来实现大位姿容差的接纳能力；3.通过钢丝传动来实现输入力矩的多重分配；4.所有驱动、控制电路板布置在轨道工具更换器内部，实现了机电系统的集成。空间机器人空间作业的复杂性决定了靠单一末端工具无法完成所有的在轨任务， 而工具的多样性决定了其在轨必须具有可更换性。因此，必须轨道工具更换器，以实现不同在轨工具的更换。轨道工具更换器与末端工具有两种接口形式，一种是电传递，一种是机械传递，本发明通过两套驱动系统实现了这两种接口形式。对于机械传递，本发明利用第一套驱动系统的电机驱动齿轮，由齿轮带动传动轴，并由传动轴上的螺栓套筒与另一端的螺栓头对接来实现此功能。对于电气传递，本发明用第二套驱动系统的电机驱动齿轮，齿轮带动凸轮长轴，并将凸轮长轴上的力矩通过钢丝传动转移到凸轮短轴，最后，通过固定于凸轮长轴和凸轮短轴的曲柄滑块机构将电连接器的两部分对接。工具端锁紧采用了运动学耦合方式，即共用第二套驱动系统的电机，在电连接器实现对接之前，通过凸轮带动锁紧指实现工
5具端的锁紧。该轨道工具更换器与可更换末端操作器的对接面为圆锥面，具有较大的位姿容差能力。本发明体积小、质量轻、低功耗、大位姿容差以及高可靠性，可满足空间机器人在轨道上自主更换末端工具的要求。为了适应前述的两种输出接口，轨道工具更换器含两套驱动系统，而每套系统由输入装置、传动装置、输出装置和电气装置组成；第一套驱动系统(机械传递)所述输入装置由电机组成，传动装置由直齿轮和传动轴组成，输出装置为螺栓套筒(用于与可更换末端操作器对接)。电气驱动、控制电路板(含两套系统)统一放在后部经电路板架与壳体固定。所述电机为maxon电机，固定在下支撑环上，其与一套行星减速器连为一体；所述直齿轮包含一个小齿轮和一个输出轴齿轮；所述传动轴末端放置一个压缩弹簧，用于将螺栓套筒压入到另一端的螺栓头中；所述螺栓套筒置于传动轴上，内部为正六边形孔。第二套驱动系统包含两个输出，分别用于工具端锁紧和电连接器对接。这两个输出共用一套输入装置。所述输入装置由maxon电机组成，其固定在下支撑环上，并与一套行星减速器连为一体。第一个输出的传动部分由直齿轮、凸轮长轴和凸轮组成，输出部分为锁紧指(摆动从动件)。所述直齿轮包含一个小齿轮和一个凸轮长轴齿轮(固定在凸轮长轴上)；所述凸轮也固定在凸轮长轴上；所述锁紧指固定在上支撑环上，通过凸轮轮廓使锁紧指按所设计的规律运动，从而让凸轮带动从锁紧指运动，将工具端接口压紧在壳体上；所述锁紧指通过拉伸弹簧贴在凸轮上。第二个输出的传动部分由直齿轮、凸轮长轴、曲柄连杆机构组成，输出部分为滑块，其上面固定电连接器的底座部分。所述直齿轮和凸轮长轴与第一个输出的传动部分一致，所述曲柄滑块机构由曲柄、连杆和滑块组成，曲柄固定在凸轮长轴上面，连杆将曲柄与滑块连接在一起，滑块由一套导向机构约束，使其仅能平动。导向机构由挂板、导向杆和直线轴承组成，挂板一端固定在滑块上面，另一端通过直线轴承套在导向杆上。为了改善工具端压紧以及电连接器对接的作用效果，经钢丝轮传动装置将凸轮长轴上的电机作用力矩传导到凸轮短轴上，由于凸轮短轴装有另外一套凸轮和曲柄连杆机构，从而实现压紧力和对接推力的对称输出。所述的钢丝传动装置由钢丝轮、钢丝、钢丝压板、预紧块组成，钢丝轮共两个，分别固定在凸轮长轴和凸轮短轴上，固定在凸轮长轴的为主动钢丝轮，固定在凸轮短轴的为从动钢丝轮，主动钢丝轮通过钢丝带动从动钢丝轮旋转， 从而使凸轮短轴转动。轨道工具更换器与可更换末端操作器的对接面为圆锥面，可以实现四个约束(两个位置和两个姿态)。由于绕圆锥中轴线的转动是自由的，其转动约束可通过在圆锥面对称布置两个圆柱，并在工具端接口上开斜槽来实现。沿对接方向的位置约束通过用槽轮将工具端接口压紧在壳体上实现。
图1是本发明的主视剖视图，图2是本发明的左视剖视图，图3是本发明曲柄连杆机构部分的局部剖视图(图3是图2的C-C剖视图)，图4是本发明钢丝传动部分的局部剖视图(图4是图5的G-G剖视图)，图5是本发明凸轮、凸轮长轴、凸轮短轴部分的剖面图 (图5是图1的F-F剖视图，拆去壳体)，图6是本发明锁紧指轴部分的剖面图(图6是图 1的A-A剖视图)，图7是本发明第二套驱动系统的电机和齿轮传动局部剖视图(图7是图
64的H-H剖视图)；图8是本发明的立体参考图。
具体实施例方式具体实施方式
一如图1 8所示，本实施方式所述的空间机器人轨道工具更换器包括壳体A2、底端盖A8、下支撑环A9、上支撑环A12、电路板支撑架A16、电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统，上支撑环A12、固定架A37、下支撑环A9、电路板支撑架A16由上至下依次安装在壳体A2内，电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统均置于壳体A2 内，电气系统置于电路板支撑架A16上，壳体A2下端端面与底端盖A8 (通过螺钉B30)连接；所述第一套驱动系统包括第一输入装置、第一传动装置和第一输出装置，第一输入装置为第一含行星减速器电机B13，第一传动装置包括第一小齿轮A18、传动轴齿轮A22 和传动轴A10，所述第一输出装置为螺栓套筒A4 ；第一含行星减速器电机B13 (通过螺钉 B29)固定在下支撑环A9上，第一小齿轮A18(通过紧定螺钉)固定在第一含行星减速器电机B13的输出轴上，传动轴齿轮A22安装在传动轴AlO上(传动轴齿轮A22通过键B3实现在传动轴AlO的周向定位，通过螺母B4和套筒Al 1实现轴向定位)，第一小齿轮A18与传动轴齿轮A22啮合，传动轴AlO由一对深沟球轴承B5支撑，所述一对深沟球轴承B5分别嵌入到下支撑环A9和上支撑环A12上，螺栓套筒A4由压缩弹簧B2、压板A3 (通过螺钉Bi)固定在传动轴AlO上；在与工具端的螺栓头对接时，通过压紧压缩弹簧B2以及旋转传动轴AlO 可使工具头螺栓嵌入到螺栓套筒A4中；所述第二套驱动系统包括第二输入装置、用于工具端锁紧的第二传动装置、用于电连接器对接的第二传动装置、用于工具端锁紧的第二输出装置和用于电连接器对接的第二输出装置；第二输入装置为第二含行星减速器电机B37 ；用于工具端锁紧的第二传动装置包括第二小齿轮A17、凸轮长轴齿轮A21、凸轮长轴A25、凸轮短轴A30、两个凸轮A6、两个钢丝轮似6和钢丝B25，用于工具端锁紧的第二输出装置为两个锁紧指A5;用于电连接器对接的第二传动装置包括第二小齿轮A17、凸轮长轴齿轮A21和两套曲柄连杆机构，用于电连接器对接的第二输出装置为滑块A13 ；第二含行星减速器电机B37固定在电机座A7上，电机座A7 (通过螺钉)固定在下支撑环A9上，第二小齿轮A17(通过紧定螺钉B10)固定在第二含行星减速器电机B37的输出轴上，凸轮长轴齿轮A21安装在凸轮长轴A25上(凸轮长轴齿轮A21通过键实现在凸轮长轴A25的周向固定，通过套筒hm实现轴向定位)，第二小齿轮A17与凸轮长轴齿轮A21 啮合，凸轮长轴A25由一对轴承B22支撑，轴承B22嵌入到相应的轴承座A24中，凸轮长轴 A25由凸轮长轴轴承端盖A29实现轴向定位，凸轮长轴轴承端盖A29(通过垫片B21和螺钉 B8)固定在轴承座AM上，轴承座AM (通过螺钉)固定在下支撑环A9上，凸轮短轴A30也由一对轴承B22支撑在轴承座AM上，并通过凸轮短轴轴承端盖A31实现轴向固定，凸轮长轴A25和凸轮短轴A30上各安装有一个凸轮A6 ；凸轮长轴A25和凸轮短轴A30上方各设置有一个锁紧指心轴A35，每个锁紧指A5通过滑动轴承B34支撑于锁紧指心轴A35上并通过挡圈A36实现轴向定位，每个锁紧指心轴A35(通过锁定螺钉)固定于相应的心轴座A40 上，心轴座A40 (通过螺钉)固定在上支撑环A12上，每个锁紧指A5的根部装有滚子A27，滚子A27通过滑动轴承B33安装在相应的滚子心轴A42上，使滚子A27始终贴紧在凸轮A6上
7(锁紧指A5通过弹簧贴于凸轮A6上)；通过凸轮A6的轮廓使锁紧指A5按所设计的规律运动，从而让凸轮带动从锁紧指运动，将工具端接口 Al压紧在壳体A2上；凸轮长轴A25和凸轮短轴A30上分别固装有一个钢丝轮A^ (凸轮长轴A25上的钢丝轮A^通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒A28实现轴向定位。凸轮短轴A30上的钢丝轮似6通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒A28实现轴向定位)，凸轮长轴A25 —侧钢丝轮A^通过钢丝B25带动凸轮短轴A30 —侧钢丝轮A^转动，经钢丝传动将凸轮长轴A25上的输入力矩传递给凸轮短轴A30 ；每套曲柄连杆机构包含曲柄A20和连杆A19，一套曲柄连杆机的曲柄A20 (经紧定螺钉)固定在凸轮长轴A25上，连杆A19的一端与曲柄A20通过销轴A32连接，在销轴A32 上与连杆A19相连的部位放置滑动轴承B41 (并在滑动轴承B41上安装垫片A33将连杆A19 与曲柄A20隔开，垫片A33用聚四氟乙烯材料制成；销轴A32的另一端有螺纹，通过螺母B12 锁定，使销轴A32与曲柄A20固定连接)，两套曲柄连杆机构对称布置，由凸轮短轴A30所驱动的另一套曲柄连杆机构的连接定位方式与凸轮长轴A25的一侧相同；滑块A13与两个连杆A19的另一端连接，滑块A13上装有电连接器B15。所述滑块A13的导向机构由挂板A14、导向杆A15和直线轴承B9组成。挂板A14 一端固定在滑块上面，另一端通过直线轴承B9套在导向杆A15上。所述直线轴承B9用两个弹性挡圈B^固定在挂板A14上。所述导向杆A15的下端通过螺纹紧固于下支撑环A9， 上端通过端固架A38紧固于上支撑环A12。
具体实施方式
二 如图1 8所示，本实施方式所述锁紧指A5的推程能够压紧工具端接口 Al ；在锁紧指A5远休程，凸轮A6能够空转，以实现电连接器接口的对接。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
三如图1 8所示，本实施方式所述的第二套驱动系统的限位开关采用霍尔传感器B35，霍尔传感器B35通过胶接粘在轴承座AM上面的支撑块A23上，磁钢 B36镶在凸轮长轴齿轮A21侧面，第二套驱动系统采用电位计B40用于绝对位置传感，电位计B40焊接在PCB板上。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
四如图1 8所示，本实施方式所述轨道工具更换器的壳体A2的对接面为圆锥面；工具端接口 Al的侧壁上开有为二者对接提供较大的位姿容差的圆柱孔； 壳体A2的锥面上伸出两个可卡在工具端接口 Al的锥形槽内的圆柱，使壳体A2和工具端接口 Al不发生相对转动，实现相对位姿固定。其它组成及连接关系与具体实施方式
一、二、三或四相同。针对本发明再进行如下阐述机械传递方式结合图1和图2，本实施方式由输入装置、传动装置、输出装置和电气装置组成。所述输入装置由电机(含行星减速器)B13组成；所述传动装置由小齿轮A18、传动轴齿轮A22 和传动轴AlO组成；所述输出装置由螺栓套筒A4组成；电气系统置于电路板支撑架A16上。 电机B13由螺钉似9固定在下支撑环A9上，小齿轮A18通过紧定螺钉固定在电机输出轴上， 传动轴齿轮A22通过键B3实现在传动轴AlO的周向定位，通过螺母B4和套筒All实现轴向定位。传动轴AlO由一对深沟球轴承B5支撑，这个两个轴承分别嵌入到下支撑环A9和上支撑环A12上。螺栓套筒A4由压缩弹簧B2、压板A3和螺钉Bl固定在传动轴AlO上。在
8与工具端的螺栓头对接时，通过压紧压缩弹簧B2以及旋转传动轴AlO可使工具头螺栓嵌入到螺栓套筒A4中。工具端接口压紧方式结合图1 图7，同理，本实施方式由输入装置、传动装置、输出装置和电气装置组成。所述输入装置由电机(含行星减速器)B37组成；传动装置由齿轮A17、凸轮长轴齿轮 A21、凸轮长轴A25、凸轮A6(共两个，本处指凸轮长轴一侧)组成；为了实现对称压紧，经钢丝传动将凸轮长轴A25上的输入力矩传递给凸轮短轴A30，凸轮短轴A30带动另一侧凸轮， 故传动装置还包括钢丝轮A26、钢丝B25、凸轮短轴A30和凸轮A6 (共两个，本处指凸轮短轴一侧)；所述输出装置由锁紧指A5(共两个，凸轮长轴A25的凸轮和凸轮短轴A30的凸轮各驱动一个)组成，Al为工具端接口。同样，电气系统置于电路板支撑架A16上。电机B37固定在电机座A7上，电机座A7通过螺钉固定在下支撑环A9上，齿轮A17 通过紧定螺钉BlO固定在电机B37的输出轴上，凸轮长轴齿轮A21通过键实现在凸轮长轴 A25的周向固定，通过套筒々28(与似8—致的套筒共5个)实现轴向定位。凸轮长轴A25 由一对轴承B22支撑，轴承B22嵌入到轴承座A24 (共4个)中，其由轴承端盖A^实现轴向定位，轴承端盖似9通过垫片B21和螺钉B8固定在轴承座上，轴承座通过螺钉固定在下支撑环A9上，下支撑环A9通过螺钉B6和垫圈Bll固定在壳体A2上。凸轮长轴A25上的凸轮A6通过键实现在凸轮长轴A25的周向固定，通过轴肩和套筒似8实现轴向定位。锁紧指A5通过滑动轴承B34支撑于锁紧指心轴A35上并通过挡圈A36实现轴向定位，锁紧指心轴A35通过锁定螺钉固定于心轴座A40。锁紧指A5上装有滚子A27、滑动轴承B33和滚子心轴A42，滚子A27通过弹性挡圈固定在锁紧指A5上。心轴座A40通过螺钉固定在上支撑环A12上，上支撑环A12通过螺钉B6和垫圈Bll固定在壳体A2上。通过一个拉伸弹簧(图中未画出)作用于安装在锁紧指A5上的吊环螺钉B32，使滚子A27始终贴紧在凸轮A6上。 钢丝轮A^共两个，分别固定在凸轮长轴A25和凸轮短轴A30上。凸轮长轴A25上的钢丝轮似6通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒似8实现轴向定位。凸轮短轴A30上的钢丝轮似6通过键实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位。凸轮长轴A25—侧钢丝轮通过钢丝B25带动凸轮短轴A30—侧钢丝轮转动。钢丝B25(两侧各有一小球)两端分别通过钢丝压板A39和预紧块A43安装在两个钢丝轮上。通过使钢丝B25的一侧小球嵌入到钢丝压板A39(通过螺钉固定在钢丝轮上)上，可让此侧钢丝B25固定在钢丝轮上。钢丝的另一侧小球嵌入到预紧块A43中，预紧块A43与螺钉B18 (其悬吊在钢丝轮伸出的凸起处)通过螺纹连接，旋转螺钉B18可实现预紧块A43向螺钉一侧运动，从而使钢丝B25被拉紧。凸轮短轴A30由与B22相同的一对轴承支撑在轴承座(与AM相同)上，并通过轴承端盖实现轴向固定。凸轮短轴一侧凸轮通过键BM实现周向固定，通过轴肩和套筒实现轴向定位。电连接器对接方式结合图1 图7，由于本实施方式与工具端接口压紧方式共样一套输入装置(运动耦合)，故输入装置是相同的。下面来说明传动装置、输出装置和电气装置。传动装置由齿轮A17、凸轮长轴齿轮A21、凸轮长轴A25、曲柄A20和连杆A19组成；为了实现输出装置 (滑块)的横向受力平衡，经钢丝传动将凸轮长轴A25上的输入力矩传递给凸轮短轴A30， 凸轮短轴A30带动另一侧曲柄连杆机构，从而使两套连杆对滑块作用的横向力抵消。故传动装置还包括钢丝轮A26、钢丝B25、凸轮短轴A30和另一侧曲柄连杆机构；所述输出装置为
9滑块A13。电气系统的驱动、控制部分置于电路板支撑架A16上，用于绝对位置传感的电位计B44通过焊接在PCB板上，其轴孔套在凸轮长轴A25上，用于限位的霍尔传感器B35通过胶接粘在支撑块A23上，磁钢B36镶在凸轮长轴齿轮A21侧面。齿轮A17、凸轮长轴齿轮A21、凸轮长轴A25与实施方式2是相同的。曲柄A20经紧定螺钉固定在凸轮长轴A25上，连杆A19与曲柄A20通过销轴A32连接，由于二者之间存在相对运动，在销轴上与连杆相连的部位放置了滑动轴承B41，并在滑动轴承B41上安装垫片 A33将连杆A19与曲柄A20隔开，销轴A32的另一端有螺纹，通过螺母B12锁定。滑块A13与连杆A19通过也是销轴连接。同样，滑块A13与连杆之间存在相对转动，在销轴上与连杆相连的部位放置了滑动轴承B41，并用垫片A33将连杆A19与滑块A13的连接部位隔开。滑块 A13上装有电连接器(座孔)B15，通过螺钉B16固定在滑块A13上。由前所述，曲柄连杆机构对称布置，在另一侧，凸轮短轴A30所驱动曲柄连杆机构的连接定位方式与凸轮长轴A25 的一侧相同。凸轮A6为经过特殊设计的凸轮结构在其推程过程可驱动锁紧指A5使工具端接口 Al压紧在壳体A2上时；在锁紧指A5的远休程，凸轮长轴A25和凸轮短轴A30上的曲柄连杆机构继续驱动，从而完成电连接座孔部分B15和头针部分B14 (用螺钉固定在工具端接口上)的对接。就这样，通过一套输入装置B37，实现了两种功能(工具端接口压紧和电连接器对接)。壳体与工具端接口的对接如图1、图2和图4所示，本发明的壳体A2的对接面为由一对轴线相互垂直的锥体和圆柱体组成的组合曲面。壳体A2为锥体结构，而工具端接口 Al为圆柱孔(底部除外)， 这样在二者对接时可提供较大的位姿容差。另外，参见图2，壳体A2的锥面上伸出两个圆柱，可卡在图4所示的工具端Al的锥形槽内，从而使二者不发生相对转动，实现相对位姿固定。
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权利要求
1. 一种空间机器人轨道工具更换器，所述轨道工具更换器包括壳体(A》、底端盖 (A8)、下支撑环(A9)、上支撑环(A12)、电路板支撑架(A16)、电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统，上支撑环(A12)、下支撑环(A9)、电路板支撑架(A16)由上至下依次安装在壳体(A2)内，电气系统、第一套驱动系统和第二套驱动系统均置于壳体(A2)内，电气系统置于电路板支撑架(A16)上，壳体m下端端面与底端盖(A8)连接；其特征在于所述第一套驱动系统包括第一输入装置、第一传动装置和第一输出装置，第一输入装置为第一含行星减速器电机(B13)，第一传动装置包括第一小齿轮(A18)、传动轴齿轮 (A22)和传动轴(AlO)，所述第一输出装置为螺栓套筒(A4)；第一含行星减速器电机(B13) 固定在下支撑环(A9)上，第一小齿轮(A18)固定在第一含行星减速器电机(B13)的输出轴上，传动轴齿轮糊安装在传动轴(AlO)上，第一小齿轮(A18)与传动轴齿轮(A22)啮合，传动轴(AlO)由一对深沟球轴承(BQ支撑，所述一对深沟球轴承(BQ分别嵌入到下支撑环(A9)和上支撑环(A12)上，螺栓套筒(A4)由压缩弹簧(B2)、压板(A3)固定在传动轴 (AlO)上；在与工具端的螺栓头对接时，通过压紧压缩弹簧(B》以及旋转传动轴(AlO)可使工具头螺栓嵌入到螺栓套筒(A4)中；所述第二套驱动系统包括第二输入装置、用于工具端锁紧的第二传动装置、用于电连接器对接的第二传动装置、用于工具端锁紧的第二输出装置和用于电连接器对接的第二输出装置；第二输入装置为第二含行星减速器电机(B37)；用于工具端锁紧的第二传动装置包括第二小齿轮(A17)、凸轮长轴齿轮(A21)、凸轮长轴(A25)、凸轮短轴(A30)两个凸轮(A6)、两个钢丝轮(A26)和钢丝(B25)，用于工具端锁紧的第二输出装置为两个锁紧指 (A5)；用于电连接器对接的第二传动装置包括第二小齿轮(A17)、凸轮长轴齿轮(A21)和两套曲柄连杆机构，用于电连接器对接的第二输出装置为滑块(A13)；第二含行星减速器电机(B37)固定在电机座(A7)上，电机座(A7)固定在下支撑环 (A9)上，第二小齿轮(A17)固定在第二含行星减速器电机(B37)的输出轴上，凸轮长轴齿轮 (A21)安装在凸轮长轴(A25)上，第二小齿轮(A17)与凸轮长轴齿轮(A21)啮合，凸轮长轴 (A25)由一对轴承￠2 支撑，轴承￠2 嵌入到相应的轴承座(AM)中，凸轮长轴(A25) 由凸轮长轴轴承端盖(A^)实现轴向定位，凸轮长轴轴承端盖(A^)固定在轴承座(A24) 上，轴承座(AM)固定在下支撑环(A9)上，凸轮短轴(A30)也由一对轴承￠2 支撑在轴承座(A24)上，并通过凸轮短轴轴承端盖(A31)实现轴向固定，凸轮长轴(A25)和凸轮短轴(A30)上各安装有一个凸轮(A6)；凸轮长轴(A25)和凸轮短轴(A30)上方各设置有一个锁紧指心轴(A35)，每个锁紧指(AO通过滑动轴承(B34)支撑于锁紧指心轴(A3。上并通过挡圈(A36)实现轴向定位，每个锁紧指心轴(A35)固定于相应的心轴座(A40)上，心轴座 (A40)固定在上支撑环(A12)上，每个锁紧指(A5)的根部装有滚子(A27)，滚子(A27)通过滑动轴承(B3!3)安装在相应的滚子心轴(A^)上，使滚子(A27)始终贴紧在凸轮(A6)上；通过凸轮(A6)的轮廓使锁紧指(AO按所设计的规律运动，从而让凸轮带动从锁紧指运动，将工具端接口(Al)压紧在壳体m上；凸轮长轴(A25)和凸轮短轴(A30)上分别固装有一个钢丝轮(A^)，凸轮长轴(A25) —侧钢丝轮(A26)通过钢丝(B25)带动凸轮短轴(A30) — 侧钢丝轮(A26)转动，经钢丝传动将凸轮长轴(A2Q上的输入力矩传递给凸轮短轴(A30)； 每套曲柄连杆机构包含曲柄(A20)和连杆(A19)，一套曲柄连杆机的曲柄(A20)固定在凸轮长轴(A25)上，连杆(A19)的一端与曲柄(A20)通过销轴(A32)连接，在销轴(A32)上与连杆(A19)相连的部位放置滑动轴承(B41)，两套曲柄连杆机构对称布置，由凸轮短轴 (A30)所驱动的另一套曲柄连杆机构的连接定位方式与凸轮长轴(A25)的一侧相同；滑块 (A13)与两个连杆(A19)的另一端连接，滑块(A13)上装有电连接器(B15)。
2.根据权利要求1所述的空间机器人轨道工具更换器，其特征在于锁紧指(AO的推程能够压紧工具端接口(Al)；在锁紧指(AO远休程，凸轮(A6)能够空转，以实现电连接器接口的对接。
3.根据权利要求1所述的空间机器人轨道工具更换器，其特征在于所述的第二套驱动系统的限位开关采用霍尔传感器(B35)，霍尔传感器￠3 通过胶接粘在轴承座(A24)上面的支撑块(A2;3)上，磁钢(B36)镶在凸轮长轴齿轮(A21)侧面，第二套驱动系统采用电位计(B40)用于绝对位置传感，电位计(B40)焊接在PCB板上。
4.根据权利要求1、2或3所述的空间机器人轨道工具更换器，其特征在于轨道工具更换器的壳体m的对接面为圆锥面；工具端接口(Al)的侧壁上开有为二者对接提供较大的位姿容差的圆柱孔；壳体m的锥面上伸出两个可卡在工具端接口(Al)的锥形槽内的圆柱，使壳体m和工具端接口(Al)不发生相对转动，实现相对位姿固定。
全文摘要
空间机器人轨道工具更换器，属于空间机器人在轨服务领域，为了解决现有的轨道工具更换器存在空间作业的可靠性差、无法实现大位姿容差、功耗高、质量大等问题。对于机械传递，利用第一套驱动系统的电机驱动齿轮，由齿轮带动传动轴，并由传动轴上的螺栓套筒与另一端的螺栓头对接来实现此功能。对于电气传递，利用第二套驱动系统的电机驱动齿轮，齿轮带动凸轮长轴，并将凸轮长轴上的力矩通过钢丝传动转移到凸轮短轴，通过固定于凸轮长轴和凸轮短轴的曲柄滑块机构将电连接器的两部分对接。工具端锁紧采用了运动学耦合方式，在电连接器实现对接之前，通过凸轮带动锁紧指实现工具端的锁紧。该轨道工具更换器与可更换末端操作器的对接面为圆锥面，具有较大的位姿容差能力。
文档编号B64G4/00GK102390548SQ20111023083
公开日2012年3月28日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者刘奇坤, 刘宇, 刘宏, 蒋再男, 韩锋 申请人:哈尔滨工业大学