一种机械臂辅助操作的无源自锁定小型空间对接机构的制作方法

1.本发明涉及航天器在轨对接技术领域，具体涉及一种机械臂辅助操作的无源自锁定小型空间对接机构。


背景技术：

2.随着美国“天空实验室”项目的提出，国际上开始了对在轨服务相关领域的研究，直到90年代，在轨服务应用被限制在航天员舱外活动和空间机械臂组装上，随着空间机器人技术的不断发展，在轨服务技术将发挥出更大的潜力。在轨服务任务无论是在轨组装、在轨更换、在轨传输、在轨维修，都需要机构在轨对接，在轨对接接口的设计在在轨服务任务中显得尤为重要。
3.目前国外的空间机构的对接锁紧技术已经相对成熟，国内的对接锁紧机构处于研发阶段。现阶段的对接锁紧机构基本只考虑了自身的功能，未与其它的功能连接器相结合，在实际应用中安装位置受到其它连接器的限制；锁紧过程需要单独的驱动源驱动来实现锁紧，锁紧过程繁琐增加了锁紧难度；对接锁紧机构在整个对接过程中无论是空间还是重量所占的比重都较大，很难实现不同航天对接任务中的广泛应用。
4.综上，发明人发现，设计出一种质量轻、集成度高、中间预留其它功能连接器位置、可广泛运用、仅直线插接就可实现锁紧的小型空间对接锁紧机构是十分必要的。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种机械臂辅助操作的无源自锁定小型空间对接机构，该对接机构利用锁紧方式简单的结构特点，简化了对接锁紧过程，解决了对接锁紧机构集成度低、锁紧过程繁琐的对接锁紧问题，提高了机构的紧凑性且质量轻，锁紧可靠。
6.本发明采用以下具体技术方案：
7.一种机械臂辅助操作的无源自锁定小型空间对接机构，该对接机构包括插接内壳、球锁外壳、球锁齿轮、弹簧组件、球锁球、轴承球和挡圈；
8.所述插接内壳为中空结构，外圈与所述球锁外壳的内圈间隙配合；所述插接内壳的外周面均布有12个球锁球凹槽；
9.所述球锁外壳沿周向均布有6个球锁球安装孔以及6个轴承球安装槽；在所述球锁球安装孔的圆心连线上设有沿所述球锁外壳的周向延伸的弹簧帽滑槽；
10.所述球锁齿轮间隙配合地套接于所述球锁外壳的外周侧；所述球锁齿轮沿周向均匀开设有6个弹簧组件安装孔，并在内周侧设置有轴承球滚道；在每个所述弹簧组件安装孔内固定安装有一个所述弹簧组件；
11.所述弹簧组件包括弹簧帽、弹簧和弹簧盖板；所述弹簧盖板的内表面依次设置有压紧凸台、解锁凹槽以及弹簧槽；
12.所述球锁球间隙配合地安装于所述球锁球安装孔中；
13.所述轴承球间隙配合地安装于所述轴承球安装槽中，用于减小所述球锁齿轮绕所
述球锁外壳转动的摩擦力；
14.所述挡圈固定安装于所述球锁外壳的底部，用于将所述球锁齿轮限位于所述球锁外壳的顶端和所述挡圈之间。
15.更进一步地，在所述插接内壳的外周面以及所述球锁外壳的内周面均设置有沿周向均匀分布的啮合定位齿，用于在导向对接过程中通过啮合定位齿的啮合定位消除对接偏差；
16.所述啮合定位齿为v形，并且v形的夹角为120
°
；
17.所述球锁外壳在所述啮合定位齿的前端为平台状，用于避免两个所述啮合定位齿在啮合对接过程出现卡死和过约束现象。
18.更进一步地，所述弹簧组件套设在所述球锁齿轮的外周侧；所述弹簧安装于所述弹簧槽中，用于提供预锁紧力；所述弹簧帽压紧所述弹簧，在所述弹簧的作用下能够在所述弹簧槽中滑动。
19.更进一步地，在所述弹簧组件安装孔两端的所述球锁齿轮外周面设置有弹簧组件螺纹孔；
20.所述弹簧组件通过与所述弹簧组件螺纹孔螺纹连接的螺栓固定安装于所述球锁齿轮；
21.驱动所述球锁齿轮转动可带动所述弹簧组件旋转；
22.通过所述弹簧盖板的所述压紧凸台压紧对应的所述球锁球来完成对接机构的锁紧动作。
23.更进一步地，当所述插接内壳插入所述球锁外壳的内部时，所述弹簧帽通过所述弹簧被压缩而将所述球锁球顶入所述球锁球凹槽中，实现预锁紧目标，保证所述插接内壳在没有机械臂夹持的前提下不会掉出，机械臂驱动所述球锁齿轮转动可使所述弹簧组件的压紧凸台压紧球锁球或者在解锁凹槽中释放球锁球。
24.更进一步地，在所述球锁外壳的底端沿周向均布有4个挡圈螺纹孔；
25.所述挡圈通过安装于所述挡圈螺纹孔的螺栓固定于所述球锁外壳；
26.所述球锁球安装孔内设置有用于防止所述球锁球滚出孔外的凸台。
27.有益效果：
28.1、本发明的对接机构包括插接内壳、球锁外壳、球锁齿轮、弹簧组件、球锁球、轴承球和挡圈；插接内壳为中空结构，外圈与球锁外壳的内圈间隙配合；插接内壳的外周面均布有12个球锁球凹槽；球锁外壳沿周向均布有6个球锁球安装孔以及6个轴承球安装槽；在球锁球安装孔的圆心连线上设有沿球锁外壳的周向延伸的弹簧帽滑槽；球锁齿轮间隙配合地套接于球锁外壳的外周侧；球锁齿轮沿周向均匀开设有6个弹簧组件安装孔，并在内周侧设置有轴承球滚道；在每个弹簧组件安装孔内固定安装有一个弹簧组件；弹簧组件包括弹簧帽、弹簧和弹簧盖板；弹簧盖板的内表面依次设置有压紧凸台、解锁凹槽以及弹簧槽；球锁球间隙配合地安装于球锁球安装孔中；轴承球间隙配合地安装于轴承球安装槽中；挡圈固定安装于球锁外壳的底部，用于将球锁齿轮限位于球锁外壳的顶端和挡圈之间；由于插接内壳采用中空结构，对接后中间留有较大空间，使得插接内壳可与其它功能连接器配合使用；插接内壳与球锁外壳采用插接结构，利用弹簧刚度的可控性能够对锁紧力进行有效控制，在不需要驱动源的情况下就能够实现预锁紧和解锁过程，通过机械臂控制可实现更大
锁紧力锁紧，无源设计使其结构简单、质量轻，预锁紧的可变设计使其锁紧稳定可靠、适用范围广；因此，上述对接机构具有结构简单、质量轻、对接锁紧简单、锁紧可靠、集成度高、中间预留有其它功能连接器位置、可广泛应用、仅直线插接就可实现锁紧的特点。
29.2、本发明的对接机构为对接过程增加了预紧阶段，节省驱动源，在预紧阶段机械臂可以被释放并控制进行解锁和锁紧，驱动方式可以单独由机械臂来控制完成，相比于其它对接锁紧结构节省了一套单独的驱动装置，大大减轻了整体空间对接结构的质量，也使对接过程更加容易控制；对接机构具有可控的预锁紧力和对接力，并且预锁紧力和对接力由弹簧的弹力控制，可以根据对接场景进行更换，使其能应用的空间对接锁紧任务更加广泛。
30.3、本发明的对接机构在插接内壳的外周面以及球锁外壳的内周面均设置有沿周向均匀分布的啮合定位齿，在对接过程中插接内壳的外周面与球锁外壳的内周面之间通过啮合定位齿的啮合定位对插接过程进行导向和定位，消除了插接内壳与球锁外壳之间的对接偏差；通过球锁外壳在啮合定位齿的前端为平台状，能够避免插接内壳与球锁外壳的两个啮合定位齿在啮合对接过程出现卡死和过约束现象。
31.4、由于球锁球安装孔内设置有凸台，通过凸台能够防止球锁球滚出孔外，防止对接机构的对接失效。
附图说明
32.图1为本发明对接机构的爆炸结构示意图；
33.图2为弹簧组件的结构示意图；
34.图3为弹簧组件与球锁齿轮的装配结构示意图；
35.图4为插接内壳的结构示意图；
36.图5为球锁外壳的结构示意图；
37.图6为对接机构处于对接预锁紧状态时的剖面图；
38.图7为对接机构处于对接锁紧状态时的剖面图
39.图8为对接机构处于对接解锁状态时的剖面图。
40.其中，1-插接内壳，2-球锁外壳，3-球锁齿轮，4-弹簧组件，5-球锁球，6-轴承球，7-挡圈，8-弹簧帽，9-弹簧，10-弹簧盖板，11-啮合定位齿，12-球锁球凹槽，13-球锁球安装孔，14-轴承球安装槽，15-弹簧帽滑槽，16-挡圈螺纹孔，17-弹簧组件螺纹孔，18-轴承球滚道，19-压紧凸台，20-解锁凹槽，21-弹簧槽
具体实施方式
41.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
42.本实施例提供了一种机械臂辅助操作的无源自锁定小型空间对接机构，如图1所示，该对接锁紧机构包括插接内壳1、球锁外壳2、球锁齿轮3、6个弹簧组件4、6个球锁球5、6个轴承球6和挡圈7；
43.如图2所示，每个弹簧组件4均包括弹簧帽8、弹簧9和弹簧盖板10；弹簧盖板10内表面依次设置有压紧凸台19、解锁凹槽20和弹簧槽21；弹簧9安装在弹簧盖板10的弹簧槽21中，弹簧帽8压紧弹簧9，在弹簧9的作用下能够在弹簧槽21中滑动，弹簧9用于提供弹簧帽8
在弹簧槽21内移动的阻力；
44.如图4所示，插接内壳1的外周面均布有12个球锁球凹槽12，插接内壳1的外圈与球锁外壳2的内圈之间间隙配合；插接内壳1的整体结构中间镂空设计，中间空间较大且不影响对接过程，可与其它功能连接器集成使用，解决了现阶段机械接口和功能接口集成度不高的问题，也一定程度的节约了安装空间，减轻了接口的安装难度和整体质量；插接内壳1可以为中空环形结构；
45.如图5所示，球锁外壳2的周向均布有6个球锁球安装孔13和6个轴承球安装槽14，球锁外壳2的外周面设置有沿周向延伸的弹簧帽滑槽15，弹簧帽滑槽15位于球锁球安装孔13的圆心连线上，在球锁外壳2的底端设有4个挡圈螺纹孔16；
46.如图1和图3所示，球锁齿轮3开有与6个弹簧组件4一一对应的6个弹簧组件螺纹孔17，并在内周面底端设置有轴承球滚道18；球锁齿轮3间隙配合地套接于球锁外壳2的外周侧；
47.如图4和图5所示，插接内壳1的外周面与球锁外壳2的内周面可以为形状配合的锥形导向面，通过锥形导向面便于在插接内壳1向球锁外壳2内插接时进行导向；在插接内壳1的外周面以及球锁外壳2的内周面均设置有沿周向均匀分布的啮合定位齿11，用于在导向对接过程中通过啮合定位齿11的啮合定位消除对接偏差；啮合定位齿11为v形，并且v形的夹角为120
°
；球锁外壳2在啮合定位齿11的前端为平台状，用于避免两个啮合定位齿11在啮合对接过程出现卡死和过约束现象，从而更好地实现导向对接功能，有效地保证在出现对接偏差的情况下可以精准导向对接；
48.弹簧组件4通过螺栓固定在球锁齿轮3的弹簧组件螺纹孔17上；球锁齿轮3套在球锁外壳2的外围，两者间隙配合便于球锁齿轮3可以带动弹簧组件4绕球锁外壳2旋转；
49.轴承球6安装在球锁外壳2的轴承球安装槽14中，两者间隙配合便于轴承球6在槽内旋转，球锁外壳2和球锁齿轮3配合时轴承球6落到球锁齿轮3的轴承球滚道18中，可以减少球锁齿轮3旋转时的摩擦力；
50.球锁球5安装在球锁外壳2的球锁球安装孔13中，两者间隙配合方便球锁球5在孔内移动，球锁球安装孔13内圈设有凸台，防止球锁球5滚出孔外；
51.挡圈7固定安装于球锁外壳2的底部，通过螺栓固定在球锁外壳2的挡圈螺纹孔16上，防止球锁齿轮3滑落；
52.插接内壳1插入球锁外壳2内部，球锁球5在弹簧帽8的压力下陷入球锁球凹槽12内承受预锁紧力，压紧凸台19和解锁凹槽20的设计，可以使此设计在有驱动源时实现大的锁紧力和解锁。
53.上述对接机构包括插接内壳1、球锁外壳2、球锁齿轮3、弹簧组件4、球锁球5、轴承球6和挡圈7；插接内壳1为中空结构，外圈与球锁外壳2的内圈间隙配合；插接内壳1的外周面均布有12个球锁球凹槽12；球锁外壳2沿周向均布有6个球锁球安装孔13以及6个轴承球安装槽14；在球锁球安装孔13的圆心连线上设有沿球锁外壳2的周向延伸的弹簧帽滑槽15；球锁齿轮3间隙配合地套接于球锁外壳2的外周侧；球锁齿轮3沿周向均匀开设有6个弹簧组件4安装孔，并在内周侧设置有轴承球滚道18；在每个弹簧组件4安装孔内固定安装有一个弹簧组件4；弹簧组件4包括弹簧帽8、弹簧9和弹簧盖板10；弹簧盖板10的内表面依次设置有压紧凸台19、解锁凹槽20以及弹簧槽21；球锁球5间隙配合地安装于球锁球安装孔13中；轴
承球6间隙配合地安装于轴承球安装槽14中；挡圈7固定安装于球锁外壳2的底部，用于将球锁齿轮3限位于球锁外壳2的顶端和挡圈7之间；由于插接内壳1采用中空结构，对接后中间留有较大空间，使得插接内壳1可与其它功能连接器配合使用；插接内壳1与球锁外壳2采用插接结构，利用弹簧9刚度的可控性能够对锁紧力进行有效控制，在不需要驱动源的情况下就能够实现预锁紧和解锁过程，通过机械臂控制可实现更大锁紧力锁紧，无源设计使其结构简单、质量轻，预锁紧的可变设计使其锁紧稳定可靠、适用范围广；因此，上述对接机构具有结构简单、质量轻、对接锁紧简单、锁紧可靠、集成度高、中间预留有其它功能连接器位置、可广泛应用、仅直线插接就可实现锁紧的特点。
54.上述对接机构为对接过程增加了预紧阶段，节省驱动源，在预紧阶段机械臂可以被释放并控制进行解锁和锁紧，驱动方式可以单独由机械臂来控制完成，相比于其它对接锁紧结构节省了一套单独的驱动装置，大大减轻了整体空间对接结构的质量，也使对接过程更加容易控制；对接机构具有可控的预锁紧力和对接力，并且预锁紧力和对接力由弹簧9的弹力控制，可以根据对接场景进行更换，使其能应用的空间对接锁紧任务更加广泛。
55.上述对接机构在插接内壳1的外周面以及球锁外壳2的内周面均设置有沿周向均匀分布的啮合定位齿11，在对接过程中插接内壳1的外周面与球锁外壳2的内周面之间通过啮合定位齿11的啮合定位对插接过程进行导向和定位，消除了插接内壳1与球锁外壳2之间的对接偏差；通过球锁外壳2在啮合定位齿11的前端为平台状，能够避免插接内壳1与球锁外壳2的两个啮合定位齿11在啮合对接过程出现卡死和过约束现象。
56.上述对接机构的具体工作过程为：初始位置时，弹簧组件4通过螺栓固定在球锁齿轮3上同球锁齿轮3一同间隙安装在球锁外壳2外；挡圈7通过螺栓固定在球锁外壳2底部，限制球锁齿轮3上下移动；此时，弹簧组件4中的弹簧帽8在弹簧9的作用下压紧安装在球锁外壳2中的球锁球5，球锁球5在球锁球安装孔13内圈凸台阻挡下不会被弹出球锁外壳2。机械臂夹持插接内壳1一端在锥形导向面和啮合定位齿11的作用下缓慢插入到球锁外壳2的内部，啮合定位齿11消除对接偏差后使插接内壳1上的12个球锁球凹槽12中的6个对应球锁外壳2上的6个球锁球安装孔13；球锁球安装孔13中的球锁球5在插接内壳1的挤压下压着弹簧帽8向外移动使弹簧帽8压紧弹簧9陷入弹簧槽21中，当插接内壳1的球锁球凹槽12移动到球锁球5的位置时，球锁球5在弹簧帽8的弹力作用下陷入球锁球凹槽12内，实现预锁紧；如图6所示；此时，弹簧帽8在弹簧9的作用下压住球锁球5，锁紧力由弹簧9来提供；虽然预锁紧的锁紧力相对较小，但足以使插接内壳1和球锁外壳2相互连接在没有较大外力情况下不会分离；此时，机械臂可以释放插接内壳1一端，转而驱动球锁齿轮3，安装在球锁外壳2上的轴承球6滚动减少旋转的摩擦力，球锁齿轮3带动弹簧组件4绕球锁外壳2转动使压紧凸台19压紧球锁球5，此时球锁球5不能向外移动实现机械锁紧，如图7所示。解锁时，只需继续转动球锁齿轮3，使球锁球5凹入弹簧组件4的弹簧盖板10的解锁凹槽20内，即可将插接内壳1从球锁外壳2内拔出，如图8所示。
57.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。