一种锥—杆式对接机构的制作方法

本发明专利涉及一种锥—杆式对接机构，主要应用于各型移动机器人的组合对接，属于移动机器人对接技术领域。

背景技术：

目前，航空航天中使用的对接机构主要有四种：“环—锥”式、“锥—杆”式、“异体同构周边”式及“抓手—碰撞锁”式。随着移动机器人发展日渐成熟，为实现复杂环境下多机协同以完成日益复杂的实际任务，对接机构作为自重构模块化移动机器人系统的核心部分被广泛研究。其中，“锥—杆”式对接机构由于机构简单，整体质量较小，对初始姿态的要求较低，对接时容差大，因此开始广泛应用于小型航天器及移动机器人的对接系统。由于移动机器人相对于小型航天器的体积仍存在很大差别，因此需要在航天器使用“锥—杆”式对接机构的基础上加以改进，使其整体结构小型化，并简化对接动作，以适应小体积的移动机器人搭载需求。

技术实现要素：

本发明针对现有移动机器人对接技术的问题，提供一种机械结构紧凑、对接容差大、执行动作简单的“锥—杆”式对接机构。

本发明的“锥—杆”式对接机构采用以下技术方案实现：

本发明的“锥—杆”式对接机构包括：主动对接模块和被动对接模块。

所述被动对接模块包括：被动对接模块固定板、接纳锥、锁舌、防松螺母、限位螺母、滑动导轨、复位弹簧，其特征在于：锁舌后部穿过复位弹簧插入滑动导轨中，通过限位螺母微调弹簧的预紧力及锁舌在接纳锥中的长度，通过防松螺母形成双螺母防松结构，构成自复位的锁体，两个锁体左右对称布置于接纳锥的后侧，并通过螺栓和螺母与被动对接模块固定板、接纳锥固定。

所述主动对接模块包括对接模块、解锁模块、锁定模块。

所述对接模块包括：导向球头、导向锥、主动对接模块固定板、固定法兰、限位支架、丝杠螺母、从动齿轮、受力支架、梯形丝杠、对接驱动电机、主动齿轮，其特征在于：从动齿轮通过螺栓和螺母与丝杠螺母固定并与梯形丝杠组成丝杠螺母副，梯形丝杠两端分别穿过限位支架和受力支架，对接驱动电机通过螺钉固定于受力支架上，主动齿轮通过紧定螺钉固连在对接驱动电机输出轴上并与从动齿轮啮合构成单级圆柱齿轮减速器，受力支架通过螺栓和螺母固定于固定法兰上部，固定法兰通过螺钉固定于主动对接模块固定板上，梯形丝杠前端穿过导向锥、主动对接模块固定板、固定法兰，导向球头通过螺纹连接固定于梯形丝杠前端。

所述解锁模块包括：解锁盘、导向锥、主动对接模块固定板、固定法兰、解锁驱动电机、解锁模块固定支架、解锁蜗杆、解锁齿轮、解锁齿条、解锁齿轮轴、解锁盘伸缩杆、滑动直线导轨、解锁齿条固定支架、解锁蜗轮，其特征在于：滑动直线导轨通过螺钉与导向锥、主动对接模块固定板固定，解锁模块固定支架通过螺栓和螺母固定于固定法兰下部，解锁驱动电机通过螺钉固定于解锁模块固定支架上，解锁蜗杆通过紧定螺钉固连在解锁驱动电机输出轴上，解锁齿轮轴一端穿过解锁模块固定支架中部肋板上的孔构成转动副，解锁齿轮和解锁蜗轮分别通过紧定螺钉固定于解锁齿轮轴两端，解锁齿条通过螺钉固定于解锁齿条固定支架上，解锁盘伸缩杆穿过滑动直线导轨构成移动副，解锁盘和解锁齿条固定支架通过解锁盘伸缩杆前后端的螺纹与之分别固连，此时解锁齿轮和解锁齿条、解锁蜗杆和解锁蜗轮分别啮合构成两级齿轮—蜗杆减速器。

所述锁定模块包括：导向锥、主动对接模块固定板、固定法兰、主动锁定齿轮轴、从动锁定齿轮轴、锁紧片、锁定驱动电机、锁定蜗杆、锁定蜗轮、锁定驱动电机固定支架、锁定驱动电机垫片、从动锁定齿轮、主动锁定齿轮，其特征在于：锁定驱动电机固定支架通过螺钉固定在主动对接模块固定板上，锁定驱动电机、锁定驱动电机垫片通过螺栓和螺母固定在锁定驱动电机固定支架上，锁定蜗杆通过紧定螺钉固定在锁定驱动电机输出轴上，主动锁定齿轮轴、从动锁定齿轮轴前端分别穿过固定法兰上的孔构成转动副，锁紧片、主动锁定齿轮分别通过紧定螺钉固定于主动锁定齿轮轴前端，锁定蜗轮通过紧定螺钉固定于主动锁定齿轮轴后端，锁紧片、从动锁定齿轮分别通过紧定螺钉固定于从动锁定齿轮轴前端，此时锁定蜗杆和锁定蜗轮、从动锁定齿轮和主动锁定齿轮分别啮合构成两级齿轮—蜗杆减速器。

进一步的，由于蜗杆展开螺旋角小于蜗轮和解锁蜗杆接触摩擦角的蜗轮蜗杆，因此其具有自锁性。

进一步的，由于梯形丝杠和蜗轮蜗杆的自锁性，保证了机构整体的稳定性和对接动作的确定性。

优化的，对接模块、解锁模块、锁定模块，三个模块共计4个个体沿对接轴线周向布置于固定法兰后侧，满足对接模块和解锁模块分别固定于上下两侧且两个锁定模块分别固定于左右两侧，同时梯形丝杠、解锁盘伸缩杆和滑动直线导轨为空套结构，保证了各机构动作的独立性和机构整体的质量均衡。

附图说明

图1为本发明的对接机构整体组成示意图；

图2a和图2b为本发明的被动对接模块机构组成示意图；

图3a和图3b为本发明的主动对接模块机构组成示意图；

图4a、图4b和图4c为本发明的对接模块机构组成示意图；

图5a和图5b为本发明的解锁模块机构组成示意图；

图6a、图6b和图6c为本发明的锁定模块机构组成示意图；

图7为本发明的梯形丝杠、解锁盘伸缩杆、滑动直线导轨和导向锥收纳状态下的安装位置关系示意图；

图8为本发明的对接过程原理示意图；

图9为本发明的解锁过程原理示意图；

图10a和图10b为本发明的锁定和解除锁定过程原理示意图。

图中：a、主动对接模块；b、被动对接模块；ⅰ、对接模块；ⅱ、解锁模块；ⅲ、锁定模块；1、被动对接模块固定板；2、接纳锥；3、锁舌；4、防松螺母；5、限位螺母；6、滑动导轨；7、复位弹簧；8、导向球头；9、导向锥；10、主动对接模块固定板；11、固定法兰；12、限位支架；13、丝杠螺母；14、从动齿轮；15、受力支架；16、梯形丝杠；17、对接驱动电机；18、主动齿轮；19、解锁盘；20、解锁驱动电机；21、解锁模块固定支架；22、解锁蜗杆；23、解锁齿轮；24、解锁齿条；25、解锁齿轮轴；26、解锁盘伸缩杆；27、滑动直线导轨；28、解锁齿条固定支架；29、解锁蜗轮；30、主动锁定齿轮轴；31、从动锁定齿轮轴；32、锁紧片；33、锁定驱动电机；34、锁定蜗杆；35、锁定蜗轮；36、锁定驱动电机固定支架；37、锁定驱动电机垫片；38、从动锁定齿轮；39、主动锁定齿轮。

具体实施方式

1、对接过程

对接驱动电机17转动，带动电机输出轴端固定的主动齿轮18转动，并驱动从动齿轮14及与之通过螺钉螺母固定的丝杠螺母13转动，使梯形丝杠16伸出至预定对接长度。接着，主动对接模块a与被动对接模块b相互靠近，导向球头8在接纳锥2的锥面导向下滑入后部圆柱收纳空间内直至与锁舌3前侧斜面接触。此时，由于主动对接模块a及被动对接模块b仍在互相靠近，且由于导向球头8与锁舌3斜面之间为高副接触，因此在力的作用下锁舌3缩回，复位弹簧7处于压缩状态，主动对接模块a与被动对接模块b继续靠近。当导向球头8运动至接纳锥2圆柱收纳空间最顶端时，导向球头8与锁舌3脱离接触，锁舌3在复位弹簧7弹力作用下复位。然后，对接驱动电机17反向转动，梯形丝杠16缩回至导向球头8后部边缘与锁舌3后部平面紧密接触，此时接纳锥2和导向锥9锥面重合，限制了主动对接模块a和被动对接模块b三个方向的移动自由度及俯仰和偏转自由度，此时对接过程结束。

2、锁定过程

当对接过程结束后，锁定驱动电机33转动，带动电机输出端固定的锁定蜗杆34转动，驱动与之啮合的锁定蜗轮35转动。由于锁定蜗轮35与主动锁定齿轮39均通过紧定螺钉固定于主动锁定齿轮轴30的两侧，因此主动锁定齿轮39转动，并驱动与之啮合的从动锁定齿轮38转动。又由于主动锁定齿轮39与从动锁定齿轮38为齿数模数均相同的齿轮，因此两者作等速反向转动，也即从动锁定齿轮轴31与主动锁定齿轮轴30作等速反向转动，则驱动分别固定于两轴前侧的锁紧片32反向等速转动至预设角度，使锁紧片32相对于转向的外侧面与接纳锥2凹槽内部上下侧面接触，限制仅剩的主动对接模块a与被动对接模块b的相对转动自由度，此时锁定过程结束。

3、解除锁定过程

解除锁定的过程为锁定过程的逆过程，即锁定驱动电机33反向转动，驱动锁紧片32反转预设角度，回到初始位置，此时解除锁定过程结束。

4、解锁过程

当解除锁定过程结束后，解锁驱动电机20转动，带动电机输出端固定的解锁蜗杆22转动，驱动与之啮合的解锁蜗轮29转动。由于解锁蜗轮29与解锁齿轮23均通过紧定螺钉固定于解锁齿轮轴25的两侧，因此解锁齿轮23转动，并驱动与之啮合的解锁齿条24作直线运动，带动通过螺纹固连为一体的解锁盘19、解锁盘伸缩杆26、解锁齿条固定支架28在滑动直线导轨27的导向下伸出，直至解锁盘19的前部锥面与锁舌3前侧斜面接触。此时，由于解锁盘19仍在伸出，且由于解锁盘19与锁舌3斜面之间为高副接触，因此在力的作用下锁舌3缩回，复位弹簧7处于压缩状态，解锁盘19继续伸出至与导向球头8后侧面重合。由于解锁盘19中部的圆柱过渡段限制了锁舌3的弹出，此时控制主动对接模块a离开被动对接模块b，则在经过解锁盘19圆柱过渡段后，锁舌3前表面与导向球头8球面接触，随着模块a和模块b的相对位移及复位弹簧7复位作用下逐渐复位，此时，解锁过程结束。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。