一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构及其工作方法技术

本发明专利技术提供了一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构及其工作方法，对接机构包括安装在主动飞行器上的多个主动端和安装在对接飞行器上的多个被动端，主动端和被动端一一对应设置，一个主动端和一个被动端形成一组模块，主动飞行器和对接飞行器在机械臂的辅助下完成初始捕获，被动端为锥形结构，主动端包括外壳组件、驱动组件、传动组件和捕获锁释组件，外壳组件用以支撑、连接驱动组件、传动组件和捕获锁释组件，驱动组件驱动传动组件和捕获锁释组件沿着外壳组件直线往复运动，捕获锁释组件用于锁紧或释放被动端。本发明专利技术体积小，系统简单，模块化设计，并利用柔性对接技术规避了常规碰撞式对接机构对系统稳定性的影响，提高对接可靠性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构及其工作方法
本专利技术属于空间飞行器对接
，尤其是涉及一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构及其工作方法。
技术介绍
随着新世纪航天事业的迅猛发展，各国相继研制并发射了大量面向各种任务要求的航天器，航天器的结构、组成日趋复杂，性能、技术水平不断提高，航天器在轨对接任务需求日益增多。两航天器的成功交会对接是顺利执行多数在轨服务任务的先决条件。航天器交会对接技术是指两航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术，通过机械臂辅助下的主动飞行器与对接飞行器实现的对接过程，属于在轨非密封条件合作目标的停靠式对接。传统的对接机构在尤其在大型星体或航天器的对接过程中存在对接机构质量大、碰撞能量大、系统复杂、适应能力有限的问题，通过多模块协同柔性锥杆式对接机构，可规避上述问题，该对接机构具有明显的对机械臂的扰动小、缓冲要求低、对接安全性高的优势，且其结构简单、易于轻小化、模块化的优势和具有普适性潜力。在未来在轨航天器服务、空间站的建设与维护运营均具有广阔的应用前景。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构及其工作方法，低扰动柔性对接机构利用柔性臂--可伸缩的传扭软轴，规避常规碰撞式对接机构对系统稳定性的影响，尤其对机械臂的扰动降低,传动可靠；高可靠性的回转螺接捕获，利用螺接捕获锁，结构尺寸小，姿态柔顺，对接可靠性高；具有明显的对机械臂的扰动小、缓冲要求低、对接安全性高的优势，且其结构简单、易于轻小化、模块化的优势和具有普适性潜力。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，包括均匀安装在主动飞行器上的多个主动端和均匀安装在对接飞行器上的多个被动端，所述的主动端和被动端一一对应设置，一个主动端和一个被动端形成一组模块，所述主动飞行器和对接飞行器之间在机械臂的辅助下完成初始捕获，所述的被动端为锥形结构，所述的主动端包括外壳组件、驱动组件、传动组件和捕获锁释组件，所述的外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件和捕获锁释组件，所述的驱动组件驱动传动组件和捕获锁释组件沿着外壳组件实现直线往复运动，所述的捕获锁释组件包括驱动电机和螺纹锁，所述的驱动电机驱动螺纹锁锁紧或释放所述被动端。进一步的，所述被动端为扩口锥形结构，所述被动端的内腔形面构型从扩口到盲端依次为陡斜直面、过渡弧面、螺纹锁合面和连接面，所述的螺纹锁与螺纹锁合面配合。进一步的，所述外壳组件包括导向套筒、用于姿态校正的第一锁位开关、用于对接锁紧的第二锁位开关、控制驱动电机启动与否的擒位开关、定位锥和分离与对接定位用的分离弹簧，所述的定位锥套设在导向套筒的前端，所述的分离弹簧安装在定位锥和设置在导向套筒上的法兰盘之间，所述的第一锁位开关设置在第二锁位开关前侧，且两个锁位开关均设置在法兰盘上，对接时所述的被动端压紧定位锥使定位锥压缩分离弹簧时依次触发第一锁位开关和第二锁位开关，所述的定位锥与被动端的扩口锥形结构相适应。进一步的，所述驱动组件包括由电机驱动的电动推杆，所述传动组件为设置在导向套筒内的柔性臂，所述的柔性臂包括第一连接板、第二连接板、弹簧和限距绳，所述的第一连接板和第二连接板通过限距绳连接，所述的弹簧套设在第一连接板和第二连接板之间，所述的电动推杆与第一连接板固定连接，所述的第二连接板与捕获锁释组件连接。进一步的，所述的驱动电机设置在安装座的内腔中，所述驱动电机的输出轴穿出安装座的内腔与螺纹锁连接，所述的安装座设置在导向套筒内，所述的安装座远离螺纹锁的一端与第二连接板固定连接，所述的擒位开关设置多个，且均匀设置在安装座靠近螺纹锁一端的周向。进一步的，所述限距绳与第一连接板和第二连接板的连接处设有半球形垫片。进一步的，所述螺纹锁为锥管状，且螺纹锁的前端为半圆形。进一步的，所述限距绳的材质为钢丝绳或凯夫拉绳，所述弹簧为矩形截面弹簧或圆形截面弹簧。进一步的，所述主动端和被动端至少各设置4个，至少形成4组模块。一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构的工作方法，包括多点捕获、主动式多点姿态校正、多轴直动式接口插拔和两星分离四个步骤，多点捕获步骤具体为：在机械臂的辅助下，主动飞行器和对接飞行器达到初始的位姿条件，即达到捕获域，捕获时，四组模块同步运作，每组模块的主动端均利用电机驱动电动推杆，使与电动推杆连接的柔性臂带动捕获锁释组件沿导向套筒轴向伸出，此时柔性臂中的弹簧承力，同时驱动电机驱动螺纹锁进行回转运动，螺纹锁与被动端接触，柔性臂发生挠曲，以适应对接面位姿，使螺纹锁沿被动端的锥面导引至螺纹锁合面处，进入捕获锁紧阶段；因为双星对接面的位姿关系，四组主动端同步伸出后先后与对应的被动端接触，并各自螺纹锁紧至擒位开关触发，各自驱动电机和电动推杆停止运动，此过程中，四组模块根据位姿条件，接触顺序，先后实现捕获和停止动作，捕获锁紧阶段结束；主动式多点姿态校正步骤具体为：完成捕获锁紧后，两个飞行器在初始位姿条件下已经完成柔性连接，由于多点的对接长度不一，启动电机反转驱动电动推杆回拉带动柔性臂沿导向套筒直动收回，进行多点的对接长度补偿，至多点对接长度统一后同步启动电动推杆使两个飞行器对接面逐渐靠近至定位锥与被动端的锥面配合完成初步定位，克服分离弹簧的推力直到四组模块的定位锥全部触发各自的第一锁位开关，完成精确定位，多点校姿阶段结束；多轴直动式接口插拔步骤具体为：随着电动推杆的继续回拉，两个飞行器对接面上的电信等能源信息接口进行直插接通，至定位锥触发第二锁位开关，直动锁紧完成，电动推杆停止驱动，此时电动缸电机保持锁紧，两个飞行器稳固锁紧，实现电信等能源的传递，并承受共体飞行过程中的力学环境；两星分离步骤具体为：当两个飞行器完成补给后，电机驱动电动推杆和分离弹簧回复力的双重作用下，捕获锁释组件沿着导向套筒慢慢伸出，定位锥带着被动端沿着导向套筒直动分离，待定位锥触发第一锁位开关后，电动推杆停止运动，驱动电机反向驱动解锁，捕获锁与被动分离，分离弹簧在回复力的作用下推动定位锥，定位锥将推力作用在被动端上，被动端与主动端分离，从而完成安装被动端的对接飞行器与主动飞行器分离。相对于现有技术，本专利技术所述的一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构具有以下优势：模块化设计，可通过对模块布局、数量、设计参数进行适当参数设计，可适应停靠条件下的不同型号、不同构型对接飞行器下的对接工况，模块化可使该对接机构在未来应用中，可缩短研制周期和研发成本。对接过程采用柔性臂，通过减弱对接过程中的撞击，减少碰撞能的产生，降低对星体和机械臂姿态的扰动，可提高对接过程的稳定性和安全性；在捕获对接阶段利用擒纵锁组件，降低对机械臂的扰动，可提高对接可靠性和柔顺性。同时利用分离弹簧进行缓冲吸能，不单独设立缓冲装置，减小系统复杂度。本专利技术所述的一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，在未来航天器合作目标下在轨服务领域中，针对空间救援、在对航天的对接组装扩展，退役航天器的回收等方面均可利用柔性对接机构实现有效载荷的捕获、连接、分离。此外，在我国空间站建设过程中，需从地面大量运输仪器设备等试验航天器部件进行在轨更换与连接，如货运飞船暴露载荷物资转移、舱外标准货箱的搬运过程中，为了保证在对操作的安全性和降本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，其特征在于：包括安装在主动飞行器(1)上的多个主动端(4)和安装在对接飞行器(2)上的多个被动端(5)，所述的主动端(4)和被动端(5)一一对应设置，一个主动端(4)和一个被动端(5)形成一组模块，所述主动飞行器(1)和对接飞行器(2)之间在机械臂(3)的辅助下完成初始捕获，所述的被动端(5)为锥形结构，所述的主动端(4)包括外壳组件、驱动组件、传动组件和捕获锁释组件，所述的外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件和捕获锁释组件，所述的驱动组件驱动传动组件和捕获锁释组件沿着外壳组件实现直线往复运动，所述的捕获锁释组件包括驱动电机(4‑4)和螺纹锁(4‑5)，所述的驱动电机(4‑4)驱动螺纹锁(4‑5)锁紧或释放所述被动端(5)。

【技术特征摘要】
1.一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，其特征在于：包括安装在主动飞行器(1)上的多个主动端(4)和安装在对接飞行器(2)上的多个被动端(5)，所述的主动端(4)和被动端(5)一一对应设置，一个主动端(4)和一个被动端(5)形成一组模块，所述主动飞行器(1)和对接飞行器(2)之间在机械臂(3)的辅助下完成初始捕获，所述的被动端(5)为锥形结构，所述的主动端(4)包括外壳组件、驱动组件、传动组件和捕获锁释组件，所述的外壳组件用以支撑、连接所述驱动组件、传动组件和捕获锁释组件，所述的驱动组件驱动传动组件和捕获锁释组件沿着外壳组件实现直线往复运动，所述的捕获锁释组件包括驱动电机(4-4)和螺纹锁(4-5)，所述的驱动电机(4-4)驱动螺纹锁(4-5)锁紧或释放所述被动端(5)。2.根据权利要求1所述的一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，其特征在于：所述被动端(5)为扩口锥形结构，所述被动端(5)的内腔形面构型从扩口到盲端依次为陡斜直面(5-1)、过渡弧面(5-2)、螺纹锁合面(5-3)和连接面(5-4)，所述的螺纹锁(4-5)与螺纹锁合面(5-3)配合。3.根据权利要求2所述的一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，其特征在于：所述外壳组件包括导向套筒(4-2)、用于姿态校正的第一锁位开关(4-7)、用于对接锁紧的第二锁位开关(4-6)、控制驱动电机(4-4)启动与否的擒位开关(4-8)、定位锥(4-10)和分离与对接定位用的分离弹簧(4-9)，所述的定位锥(4-10)套设在导向套筒(4-2)的前端，所述的分离弹簧(4-9)安装在定位锥(4-10)和设置在导向套筒(4-2)上的法兰盘(4-13)之间，所述的第一锁位开关(4-7)设置在第二锁位开关(4-6)前侧，且两个锁位开关均设置在法兰盘(4-13)上，对接时所述的被动端(5)压紧定位锥(4-10)使定位锥(4-10)压缩分离弹簧(4-9)时依次触发第一锁位开关(4-7)和第二锁位开关(4-6)，所述的定位锥(4-10)与被动端(5)的扩口锥形结构相适应。4.根据权利要求3所述的一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，其特征在于：所述驱动组件包括由电机(4-12)驱动的电动推杆(4-1)，所述传动组件为设置在导向套筒(4-2)内的柔性臂(4-3)，所述的柔性臂(4-3)包括第一连接板(4-3-5)、第二连接板(4-3-4)、弹簧(4-3-2)和限距绳(4-3-3)，所述的第一连接板(4-3-5)和第二连接板(4-3-4)通过限距绳(4-3-3)连接，所述的弹簧(4-3-2)套设在第一连接板(4-3-5)和第二连接板(4-3-4)之间，所述的电动推杆(4-1)与第一连接板(4-3-5)固定连接，所述的第二连接板(4-3-4)与捕获锁释组件连接。5.根据权利要求4所述的一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，其特征在于：所述的驱动电机(4-4)设置在安装座(4-11)的内腔中，所述驱动电机(4-4)的输出轴穿出安装座(4-11)的内腔与螺纹锁(4-5)连接，所述的安装座(4-11)设置在导向套筒(4-2)内，所述的安装座(4-11)远离螺纹锁(4-5)的一端与第二连接板(4-3-4)固定连接，所述的擒位开关(4-8)设置多个，且均匀设置在安装座(4-11)靠近螺纹锁(4-5)一端的周向。6.根据权利要求5所述的一种停靠式多模块协同柔性锥杆式对接机构，其特征在于：所述限距绳(4-3-3)与第一连接板(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜生元，张伟伟，刘飞，马超，徐传喜，邓宗全，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23