CN113320718A - 一种新型可更换模块对接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天技术领域内的一种新型可更换模块对接装置，包括被动端和主动端；被动端包括航天器安装板以及连接其上的位置纠正套、电连接器母头和锁杆；主动端包括模块安装板、位置纠正杆、电连接器公头、锁紧机构以及驱动机构；主动端朝被动端移动，位置纠正杆对接***位置纠正套中并引导主动端继续朝被动端运动，待锁杆进入预设位置后，驱动机构驱动锁紧机构抓取锁杆并锁定，电连接器母头与电连接器公头插接连通。本发明通过设置相适配的位置偏差调整结构对被动端与主动端之间的位姿偏差进行调整，有效提高了两者的容差范围。

Description

一种新型可更换模块对接装置

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体地，涉及面向在轨维护与在轨组装任务的新型可更换模块对接装置。

背景技术

近些年来，为满足空间高价值航天器的在轨长寿命和性能可升级需求，对影响平台寿命的核心单机部件和更新换代频繁的单机部件提出了可在轨更换的要求。同时，随着航天器模块化设计的普遍应用，在轨组装方法成为航天器构建的新趋势。模块对接机构是可更换模块技术的基础，因此，为了支撑航天器的在轨维护与在轨组装技术，需要开展面向在轨服务与在轨组装的可更换模块对接机构设计。

为适应模块化航天器单机载荷标准可更换模块的安装需求，要求模块对接机构应具有较强的通用性，同时要求在对接过程中提供导向、捕获、锁紧和电连接器的***等功能，能够允许可更换模块与航天器在对接时具有一定的位姿误差，并尽可能地轻量化、小型化，为可更换模块内单机载荷提供更多的布局空间。

目前，2007年美国轨道快车(OE)计划对目标星进行了两个功能模块的在轨更换，可更换模块的接口装置采用异体异构式设计，采用了空间对接机构的典型锥杆导向形式和筒形凸轮的锁紧形式，具有较好的稳定性，但是接口装置包络尺寸较大，在可更换模块内占用空间较大。应用于德国iBOSS项目的智能空间***接口(ISSI)装置为异体同构设计，采用环形卡扣的锁紧形式，并基于轻量化设计思想将电连接器与接口的导向锥杆集成一体，具有对接精准、结构紧凑的优点，但是接口的传动方式复杂，需要考虑机械累积误差对锁紧器的影响。2016年南京航空航天大学以国际上典型模块化航天器项目为参考，设计了一种可更换模块标准对接机构，采用丝杠-螺母配合的方式实现可更换模块的对接，并进一步简化了对接机构内部的传动方案，扩大了可更换模块内部的有效载荷空间，但是该方案采用圆柱导杆和导套配合的导向结构，对接容差能力不足。

经过对现有技术的检索，中国发明专利公告号为CN106132832B，公开了一种航天器对接***，用于对接航天器的方法和装置，所述装置包括细长构件、运动***以及力管理***，所述细长构件与用于航天器的对接结构相关联，所述运动***被配置为轴向移动所述细长构件，使得用于所述航天器的所述对接结构移动，每个所述细长构件被配置为独立地移动，所述力管理***在所述细长构件的运动期间将所述运动***连接到所述细长构件并且被配置为将由每个所述细长构件施加的力限制为期望阈值。但是上述技术存在以下不足：对接装置使用结构占用空间较大，细长构件的对接容差能力不足。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新型可更换模块对接装置。

根据本发明提供的一种新型可更换模块对接装置，包括被动端和主动端；

所述被动端包括航天器安装板、位置纠正套、电连接器母头以及锁杆，所述位置纠正套、所述电连接器母头和所述锁杆均连接于所述航天器安装板上，所述位置纠正套对称设置于所述锁杆的两侧，所述电连接器母头设置于所述位置纠正套与所述锁杆之间；

所述主动端包括模块安装板、位置纠正杆、电连接器公头、锁紧机构以及驱动机构，所述位置纠正杆、所述电连接器公头以及所述锁紧机构连接于所述模块安装板上，所述电连接器公头位于两根所述位置纠正杆之间，所述驱动机构与所述锁紧机构传动连接；

所述主动端朝所述被动端移动，所述位置纠正杆对接***所述位置纠正套中并引导所述主动端继续朝所述被动端运动，待所述锁杆进入预设位置后，所述驱动机构驱动所述锁紧机构抓取所述锁杆并锁定，所述电连接器母头与所述电连接器公头插接连通。

一些实施方式中，所述位置纠正套为漏斗形，所述位置纠正套倒挂于所述航天器安装板上，所述位置纠正杆自开口较大的一端进入所述位置纠正套内。

一些实施方式中，所述电连接器母头为两组，两组所述电连接器母头对称设置于所述锁杆的两侧，所述电连接器公头与所述电连接器母头适配设置。

一些实施方式中，所述锁杆为T字形，所述锁杆倒挂于所述航天器安装板上。

一些实施方式中，所述锁紧机构包括丝杠、卡爪和螺母，两组所述螺母间隔一定距离转动连接于所述模块安装板上，两根丝杠分别与两组所述螺母螺接，位于两组所述螺母之间的两根所述丝杠的端部分别连接有一组卡爪，所述驱动机构通过驱动两组所述螺母转动带动两根所述丝杠相互靠近或相互远离；

两根所述丝杠相互靠近到预设位后，两组所述卡爪与所述锁杆的T字形端板相接触并锁定，所述被动端与所述主动端实现锁定；两根所述丝杠相互远离到预设位后，两组所述卡爪松脱所述锁杆，所述被动端与所述主动端实现解锁。

一些实施方式中，所述卡爪为楔形结构。

一些实施方式中，所述卡爪铰接于所述丝杠的端部，两组所述卡爪移动至所述锁杆的端板上后与所述锁杆的杆体或者两组所述卡爪的端部，继续驱动所述丝杠相互靠近时所述卡爪通过铰接轴转动并拉动所述锁杆继续朝所述主动端的方向移动。

一些实施方式中，所述驱动机构包括电机、光轴和螺母齿轮，所述电机驱动所述光轴转动，两组所述螺母齿轮转动连接于所述光轴的两端，两组所述螺母齿轮分别与两组所述螺母转动连接。

一些实施方式中，所述主动端还包括支撑组件，两组所述支撑组件对称安装于所述两根所述位置纠正杆之间，所述支撑组件包括支撑筒、和动压头，所述支撑筒的一端固定于所述模块安装板上，所述支撑筒的另一端安装所述动压头，所述被动端与所述主动端靠近后，所述动压头与所述航天器安装板弹性接触并调整所述被动端与所述主动端的相对位置。

一些实施方式中，所述支撑组件还包括弹簧，所述支撑筒为腔体结构，所述弹簧的一端固定于所述支撑筒的筒内底端，所述弹簧的另一端安装有动压头，所述动压头能够被压入所述支撑筒中。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过设置相适配的位置偏差调整结构对被动端与主动端之间的位姿偏差进行调整，有效提高了两者的容差范围。

2、本发明中主动端与被动端对接锁紧后，具有结构紧凑，包络尺寸以及对接方向占用空间小，更加利于可更换模块内单机的布局。

3、本发明通过电机带动齿轮副机构进行驱动，可重复进行捕获、锁紧以及解锁动作，不仅可靠性高，而且具有良好的可重复性。

4、本发明通过优化锁紧组件中卡爪与丝杠的连接关系为铰接，使得卡爪在丝杠轴向移动的情况下由水平状态变为竖直状态，增大主动端与被动端两者的相对位移量，进一步确保主动端与被动端被锁紧到位。

5、本发明通过主动端设置支撑组件，可与位置偏差调整结构形成双重调整，进一步扩大主动端与被动端两者的位姿容差范围，提升对接机构的调节性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明所述的一种新型可更换模块对接机构组成示意图；

图2是本发明所述的一种新型可更换模块对接机构对接初始状态；

图3是本发明所述的一种新型可更换模块对接机构对接过程开始状态；

图4是本发明所述的一种新型可更换模块对接机构对接过程进行状态；

图5是本发明所述的一种新型可更换模块对接机构对接锁紧状态。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种航天器用可更换模块的对接机构，如图1所示，包括被动端1以及对被动端1进行锁紧以及解锁释放的主动端2。被动端1主要包括航天器安装板11、位置纠正套12、电连接器母头13和锁杆14。航天器安装板11可通过螺钉等固定于航天器的对接面上，其与航天器对接面相对的另一面上紧固安装位置纠正套12、电连接器母头13以及锁杆14，锁杆14优选安装于航天器安装板11的中心位置，两组位置纠正套13对称设置于锁杆14的两侧，电连接器母头13设置于位置纠正套13与锁杆14之间，优选的，电连接器母头13为两组，对称设置于锁杆14的两侧。锁杆14优选为T形结构，其端头部为方形板或圆形板，同时，锁杆14以倒挂的形式安装于航天器安装板11上。同时位置纠正套13的形状优选为漏斗状，即漏斗状的位置纠正套12开口较小的一端与航天器安装板11连接，连接后的位置纠正套12倒挂于航天器安装板11上。

主动端2包括模块安装板21、位置纠正杆22、电连接器公头23、锁紧组件24以及驱动组件25。模块安装板21可通过螺钉与可更换模块对接面固定连接，其与可更换模块对接面相对的另一面上紧固安装位置纠正杆22和电连接器公头23，锁紧组件24与模块安装板21连接，驱动组件25与锁紧组件24传动连接并驱动锁紧组件24。优选的，模块安装板21的中心位置开设了一定大小的孔洞，可供在对接时所述被动端1的锁杆14进入＝主动端2的捕获通道。优选的，所述锁紧组件24主要由丝杠241、卡爪242和螺母243组成，两组螺母243以间隔一定距离转动连接于模块安装板21上，两根丝杠241分别与两组螺母243螺纹连接，两根丝杠241与螺母243螺纹连接后优选为同轴线，转动螺母243后可带动两根丝杠241的轴向移动，相互靠近或相互远离。两组卡爪242连接于丝杠241的端部，且两组卡爪242位于两组螺母243之间。优选的，卡爪242为具有斜面的楔形结构，通过斜面可对锁杆14进行一定程度的下压，确保被动端1与主动端2两者锁紧到位。优选的，驱动组件25主要由电机251、光轴252以及螺母齿轮253组成，光轴252的两端分别连接有螺母齿轮253，两组电机251优选通过齿轮啮合传动的方式与光轴252一端的螺母齿轮253传动连接并带动光轴252转动，同时两组母齿轮253还分别与两组螺母243啮合传动，进而由两组螺母243的转动驱动丝杠241的转动，实现两根丝杠241的轴向相对或相背运动。此时，两组螺母243可为正反螺母即可实现丝杠241的相对或相背运动。

本发明的工作原理为：

被动端1与主动端2两者的锁紧过程为：如图2所示，对接初始状态时被动端1与主动端2相距较远，两者的位姿存在一定误差，随着可更换模块逐渐靠近航天器，如图3所示，主动端2与被动段1之间的初始位姿偏差在位置纠正杆22和位置纠正套12相互接触并实现套接的作用下得到修正，被动端1的倒T形锁杆14通过模块安装板21中心位置的孔洞逐渐进入主动端2的捕获通道中，其捕获通道即为两卡爪242之间的通道。随着模块安装板21上的开始微动开关(附图中未显示)与航天器安装板11触碰并反馈信号，对接过程开始。如图4所示，电机251通过电机齿轮驱动螺母齿轮253转动，进而带动光轴252转动，由光轴252的转动带动两端的另一端的螺母齿轮253同步转动，进而由两组螺母齿轮253带动两组螺母243转动，两组正反向设置的螺母243带动两根丝杠241相互靠近，使得两组卡爪242向着中心位置运动并与锁杆14的端板相接触，继而通过楔形结构的卡爪242的转动继续下压锁杆14一定距离后电连接器母头13与电连接器公头23相互插接连通并触发到位微动开关(附图中未显示)，对接过程结束，电机251停止转动，被动端1与主动端2两者实现锁紧。

而被动端1与主动端2的解锁分离过程为对接锁紧过程的逆过程，动过电机251的反向转动，使得两根丝杠241带动两组卡爪242逐渐分离，锁杆14的锁紧力消失，被动端1与主动端2逐渐分离，电连接器母头13与电连接器公头23断开连接，被动端1与主动端2完成解锁。

本发明通过设置相适配的位置偏差调整结构对被动端与主动端之间的位姿偏差进行调整，有效提高了两者的容差范围，同时本发明中主动端与被动端对接锁紧后，被动端与主动端形成的对接机构总包括尺寸可达到200mm×160mm×38mm，其中对接方向尺寸为38mm，具有结构紧凑，包络尺寸以及对接方向占用空间小，更加利于可更换模块内单机的布局。另外，通过电机带动齿轮副机构进行驱动，可重复进行捕获、锁紧以及解锁动作，不仅可靠性高，而且具有良好的可重复性。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过优化锁紧组件中卡爪与丝杠的连接关系为铰接，使得卡爪在丝杠轴向移动的情况下由水平状态变为竖直状态，增大主动端与被动端两者的相对位移量，进一步确保主动端与被动端被锁紧到位。具体的：

如图4-5所示，卡爪242与丝杠241的端部通过胶接的方式连接，在被动端1与主动端2实施锁紧的过程中，卡爪242在丝杠241的驱动下向着中心移动并在达到中心位置后，两组卡柱242的端部与锁杆14的杆体接触或两卡爪242的端部相对接，此时，继续驱动两丝杠241相互靠近，卡爪242在轴向力的作用下客服铰接处的扭簧的作用开始转动向下转动，此处向下转动是指朝向主动端2的方向转动，由此，带动锁杆14进一步朝向主动端2的方向移动，进而使得被动端1与主动端2两者的相对位移量进一步增大，使得能够保证两者锁紧到位。

实施例3

本实施例3是在实施例1或实施例2的基础上形成，通过主动端设置支撑组件，可与位置偏差调整结构形成双重调整，进一步扩大主动端与被动端两者的位姿容差范围，提升对接机构的调节性能。具体地：

如图1-5所示，主动端2上还安装有支撑组件26，两组支撑组件26对称安装于两根位置纠正杆22之间，优选的两组支撑组件26对称安装于两组电连接器公头23之间。支撑组件26主要由支撑筒261和动压头262构成，其支撑筒261的一端固定于摩卡安装板21上，其另一端连接有动压头262，动压头262可为弹性橡胶柱等。优选的，支撑组件26还包括有弹簧263，此时，支撑筒261为至少一端开口的筒体结构，弹簧263的一端连接于支撑筒261的筒内底端，其弹簧263的另一端安装有动压头262，不受外力作用下，动压头262的端面位于支撑筒261的顶部之上，当受到外力后，动压头262可被压入支撑筒261中，其端面与支撑筒261平齐或位于其内。

在被动端1与主动端2靠近锁紧过程中，动压头262首先与航天器安装板11接触，在弹簧263支撑例的作用下，可更换模块的姿态可以再次得到调整，进而使得锁紧后的被动端1与主动端2的位姿更加精确。当支撑组件26中不设置弹簧263而仅依靠具有一定弹性作用的动压头262进行接触调整时，依然具有调节位姿的效果，仅是相较于设置弹簧263的效果不佳而已。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种新型可更换模块对接装置，其特征在于，包括被动端(1)和主动端(2)；

所述被动端(1)包括航天器安装板(11)、位置纠正套(12)、电连接器母头(13)以及锁杆(14)，所述位置纠正套(12)、所述电连接器母头(13)和所述锁杆(14)均连接于所述航天器安装板(11)上，所述位置纠正套(12)对称设置于所述锁杆(14)的两侧，所述电连接器母头(13)设置于所述位置纠正套(13)与所述锁杆(14)之间；

所述主动端(2)包括模块安装板(21)、位置纠正杆(22)、电连接器公头(23)、锁紧机构(24)以及驱动机构(25)，所述位置纠正杆(22)、所述电连接器公头(23)以及所述锁紧机构(24)连接于所述模块安装板(21)上，所述电连接器公头(23)位于两根所述位置纠正杆(22)之间，所述驱动机构(25)与所述锁紧机构(24)传动连接；

所述主动端(2)朝所述被动端(1)移动，所述位置纠正杆(22)对接***所述位置纠正套(12)中并引导所述主动端(2)继续朝所述被动端(1)运动，待所述锁杆(14)进入预设位置后，所述驱动机构(25)驱动所述锁紧机构(24)抓取所述锁杆(14)并锁定，所述电连接器母头(13)与所述电连接器公头(23)插接连通。

2.根据权利要求1所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述位置纠正套(12)为漏斗形，所述位置纠正套(12)倒挂于所述航天器安装板(11)上，所述位置纠正杆(22)自开口较大的一端进入所述位置纠正套(12)内。

3.根据权利要求1所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述电连接器母头(13)为两组，两组所述电连接器母头(13)对称设置于所述锁杆(14)的两侧，所述电连接器公头(23)与所述电连接器母头(13)适配设置。

4.根据权利要求1所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述锁杆(14)为T字形，所述锁杆(14)倒挂于所述航天器安装板(11)上。

5.根据权利要求1所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述锁紧机构(24)包括丝杠(241)、卡爪(242)和螺母(243)，两组所述螺母(243)间隔一定距离转动连接于所述模块安装板(21)上，两根丝杠(241)分别与两组所述螺母(243)螺接，位于两组所述螺母(243)之间的两根所述丝杠(241)的端部分别连接有一组卡爪(242)，所述驱动机构(25)通过驱动两组所述螺母(243)转动带动两根所述丝杠(241)相互靠近或相互远离；

两根所述丝杠(241)相互靠近到预设位后，两组所述卡爪(242)与所述锁杆(14)的T字形端板相接触并锁定，所述被动端(1)与所述主动端(2)实现锁定；两根所述丝杠(242)相互远离到预设位后，两组所述卡爪(242)松脱所述锁杆(14)，所述被动端(1)与所述主动端(2)实现解锁。

6.根据权利要求5所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述卡爪(242)为楔形结构。

7.根据权利要求5所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述卡爪(242)铰接于所述丝杠(241)的端部，两组所述卡爪(242)移动至所述锁杆(14)的端板上后与所述锁杆(14)的杆体或者两组所述卡爪(242)的端部，继续驱动所述丝杠(241)相互靠近时所述卡爪(242)通过铰接轴转动并拉动所述锁杆(14)继续朝所述主动端(2)的方向移动。

8.根据权利要求1所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述驱动机构(25)包括电机(251)、光轴(252)和螺母齿轮(253)，所述电机(251)驱动所述光轴(252)转动，两组所述螺母齿轮(253)转动连接于所述光轴(252)的两端，两组所述螺母齿轮(253)分别与两组所述螺母(243)转动连接。

9.根据权利要求1-8任一所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述主动端(2)还包括支撑组件(26)，两组所述支撑组件(26)对称安装于所述两根所述位置纠正杆(22)之间，所述支撑组件(26)包括支撑筒(261)、和动压头(262)，所述支撑筒(261)的一端固定于所述模块安装板(21)上，所述支撑筒(261)的另一端安装所述动压头(262)，所述被动端(1)与所述主动端(2)靠近后，所述动压头(262)与所述航天器安装板(11)弹性接触并调整所述被动端(1)与所述主动端(2)的相对位置。

10.根据权利要求9所述的新型可更换模块对接装置，其特征在于，所述支撑组件(26)还包括弹簧(263)，所述支撑筒(161)为腔体结构，所述弹簧(263)的一端固定于所述支撑筒(261)的筒内底端，所述弹簧(263)的另一端安装有动压头(262)，所述动压头(262)能够被压入所述支撑筒(261)中。

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