一种空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自主更换装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103406915 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103406915 A *CN103406915A* (21)申请号 201310303689.0 (22)申请日 2013.07.18 B25J 19/00(2006.01) B25J 15/04(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 (72)发明人 楚中毅 李建超 雷宜安 胡珺 周苗 胡健 卢山 李延宝 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 成金玉 贾玉忠 (54) 发明名称 一种空间机械臂末。

2、端操作器的卡盘型快速自 主更换装置 (57) 摘要 一种空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自 主更换装置， 主要由主动盘、 被动盘和工具箱等三 部分组成。 工具箱用于被动盘的固定， 以及驱动主 动盘上的卡盘转动。卡盘转动过程中， 完成主、 被 动盘的锁定与解锁， 以实现末端操作器的自主更 换。 另外， 主动盘上开有圆柱凸以增加与被动盘的 连接刚度。 三部分协同工作， 构成整个自主更换装 置。 本发明旨在服务于在轨服务领域， 用于机械臂 完成多任务时各种末端操作器的更换， 与现有技 术相比具有结构简单、 体积小、 质量轻、 连接刚度 大 ； 对接过程简单、 可靠、 快速 ； 通用性、 可扩展性 等。

3、优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103406915 A CN 103406915 A *CN103406915A* 1/2 页 2 1. 一种空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自主更换装置， 其特征在于包括主动盘 （1） 、 被动盘 （2） 、 工具箱 （3） ； 所述主动盘 （1） 包括主动盘主体 （101） 、 卡盘 （102） 、 卡盘限位 柱 （103） 、 圆柱凸盘 （104） 、 圆柱凸 （105） 和电气连接插。

4、头 （106） ； 卡盘 （102） 上开有限位弹 簧销孔 （107） 、 卡柱锁紧孔 （108） 、 卡柱插入孔 （109） 、 卡盘限位槽 （110） ； 卡盘限位柱 （103） 安装在主动盘主体 （101） 上， 插入卡盘限位槽 （110） 中， 且可以沿槽滑动 ； 卡盘 （102） 通过 圆柱凸盘 （104） 安装于主动盘主体 （101） 上， 且卡盘 （102） 能够绕中心转动， 卡盘限位柱 （103） 提供转动限位 ； 所述被动盘 （2） 包括被动盘主体 （201） 、 限位弹簧销 （202） 、 电气连接 插座 （203） 和卡柱 （204） ； 被动盘主体 （201） 上开有固。

5、定槽 （205） 、 圆柱凸对准孔 （206） ； 被动 盘 （2） 通过卡柱 （204） 、 主动盘 （1） 上的卡盘 （102） 、 圆柱凸 （105） 与主动盘 （1） 进行连接与 锁定 ； 限位弹簧销 （202） 对应限位弹簧销孔 （107） 为卡盘 （102） 提供锁定限位， 圆柱凸对准 孔 （206） 对应圆柱凸 （105） 为主动盘 （1） 和被动盘 （2） 增加连接刚度， 电气连接插头 （106） 和电器连接插座 （203） 用于电气连接， 卡柱插入孔 （109） 用于卡柱 （204） 的插入， 卡柱锁紧 孔 （108） 实现卡柱 （204） 的拔插限位 ； 所述工具箱 （3）。

6、 包括工具箱基板 （301） 、 卡盘驱动板 （302） 、 驱动板固定柱 （303） 、 驱动板限位块 （304） 、 电机 （305） 、 弹簧扭 （306） 和齿轮 （312） ； 所述工具箱基板 （301） 开有前弧形槽 （307） 、 后弧形槽 （308） 和 U 型工具槽 （310） ， U 型工具 槽 （310） 对应固定槽 （205） 来固定被动盘 （2） ， 前弧形槽 （307） 存放未被使用的被动盘 （2） ， 后弧形槽 （308） 存放更换过程中的被动盘 （2） ； 卡盘驱动板 （302） 上开有卡盘柄槽 （309） 、 齿条 （311） ， 卡盘柄槽 （309） 对应卡。

7、盘 （102） 的柄端， 更换过程中卡盘柄插入卡盘柄槽 （309） 中， 齿条 （311） 和齿轮 （312） 啮合， 实现传动连接 ； 电机 （305） 通过齿轮 （312） 、 齿条 （311） 与 卡盘驱动板 （302） 连接， 通过齿轮 （312） 和齿条 （311） 驱动卡盘驱动板 （302） 往复运动， 进 而带动卡盘 （102） 正、 反转， 实现末端操作器的自主更换 ； 工具箱 （3） 通过固定槽 （205） 、 U 型 工具槽 （310） 、 弹簧扭 （306） 将被动盘 （2） 固定 ； 所述卡盘 （102）正转过程中， 使得多个卡柱 （204）分别插入相应的多个卡柱锁紧孔。

8、 （108） 中， 同时， 多个楔形限位弹簧销 （202） 分别插入卡盘 （102） 上相应的多个限位弹簧销 孔 （107） 中， 以实现主动盘 （1） 和被动盘 （2） 的锁定 ； 所述卡盘 （102） 通过反向转动， 驱动多个卡柱 （204） 分别插入相应的多个卡柱插入孔 （109） 中， 同时， 将多个限位弹簧销 （202） 分别从相应的多个限位弹簧销孔 （107） 中挤压出 来， 以实现主动盘 （1） 和被动盘 （2） 的解锁 ； 所述主动盘 （1） 和被动盘 （2） 对接时， 主动盘 （1） 上的多个圆柱凸 （105） 分别插入被动 盘 （2） 上对应的多个圆柱凸对准孔 （206） 。

9、中。 2. 根据权利要求书 1 所述的空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自主更换装置， 其 特征在于 ： 所述卡盘 （102） 正转过程中， 三个卡柱 （204） 分别插入相应的三个卡柱锁紧孔 （108） 中， 同时， 三个楔形限位弹簧销 （202） 分别插入卡盘 （102） 上相应的三个限位弹簧销 孔 （107） 中， 以实现主动盘 （1） 和被动盘 （2） 的锁定。 3. 根据权利要求书 1 所述的空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自主更换装置， 其特 征在于 ： 所述卡盘 （102） 通过反向转动， 驱动三个卡柱 （204） 分别插入相应的三个卡柱插入 孔 （109） 中， 同时， 将三个限。

10、位弹簧销 （202） 从相应的三个限位弹簧销孔 （107） 中挤压出来， 以实现主动盘 （1） 和被动盘 （2） 的解锁。 4. 根据权利要求书 1 所述的空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自主更换装置， 其特 权 利 要 求 书 CN 103406915 A 2 2/2 页 3 征在于 ： 所述主动盘 （1） 和被动盘 （2） 对接时， 主动盘 （1） 上的八个圆柱凸 （105） 分别插入 被动盘 （2） 上对应的八个圆柱凸对准孔 （206） 中以增加连接刚度。 权 利 要 求 书 CN 103406915 A 3 1/4 页 4 一种空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自主更换装置 技术领域 0。

11、001 本发明旨在服务于在轨服务领域， 涉及一种空间机械臂末端操作器的更换装置， 适用于末端操作器的快速自主更换， 增强机械臂对目标操作物体的自适应性， 满足空间机 械臂多任务操作的实际应用需求。 技术背景 0002 空间机械臂在轨服务过程中， 操作对象的多样性决定了操作任务的多样性。为了 满足多复杂任务的需求， 末端操作器往往集多种功能 （如平行抓取、 包络抓取、 卸载和装配 特定的螺栓等等） 于一身， 导致系统的设计非常复杂， 大大降低了空间设备的可靠性。因此， 另外一种降低系统复杂度的方案就是设计简单、 可靠的多种单功能末端操作器， 并根据不 同的任务需求适时更换， 自主更换末端操作器的。

12、装置应运而生。 0003 近年来， 随着需求的增加和研究的深入， 国内外出现了各种不同的末端操作器自 主更换装置。主要有活塞式、 曲柄盘式、 螺杆销式自主更换装置。 0004 活塞式自主更换装置， 其核心装置为一个气动活塞， 气动活塞配合钢球实现主、 被 动端口的锁定， 机械结构简单、 可靠、 更换快速。 但太空动力有限， 气动驱动会大大缩短航天 器的使用寿命。 0005 曲柄盘式自主更换装置， 其核心装置为转动曲盘和楔形锁栓， 依靠楔形锁栓进行 主动与被动端口的锁定。 曲盘由直流电机驱动， 体积小、 质量轻， 但曲盘厚度小、 楔形锁栓数 目少， 导致装置的整体连接刚度小、 可靠性降低。 00。

13、06 螺杆销式自主更换装置， 其核心装置为弹簧式推销， 采用弹簧推销被动锁定， 通过 电机驱动螺杆销主动解锁， 具有主被动柔顺结合、 误差小等优点。 但仅依靠一个弹簧式推销 进行锁定， 导致主动与被动端口的连接刚度非常小， 且机械结构和更换过程复杂。 发明内容 0007 本发明的目的 ： 克服现有技术的不足， 提供一种具有结构简单、 体积小、 质量轻、 连 接刚度大 ； 对接过程简单、 可靠、 快速 ； 通用性、 可扩展性等特点的末端操作器自主更换装 置， 以满足在轨服务中机械臂更换多种末端操作器的实际需求。 0008 本发明的技术解决方案 ： 一种空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自主更换装 。

14、置， 包括主动盘 1、 被动盘 2、 工具箱 3 ； 所述主动盘 1 包括主动盘主体 101、 卡盘 102、 卡盘限 位柱 103、 圆柱凸盘 104、 圆柱凸 105 和电气连接插头 106 ； 卡盘 102 上开有限位弹簧销孔 107、 卡柱锁紧孔 108、 卡柱插入孔 109、 卡盘限位槽 110 ； 卡盘限位柱 103 安装在主动盘主体 101 上， 插入卡盘限位槽 110 中， 且可以沿槽滑动 ； 卡盘 102 通过圆柱凸盘 104 安装于主动 盘主体 101 上， 且卡盘 102 能够绕中心转动， 卡盘限位柱 103 提供转动限位 ； 所述被动盘 2 包括被动盘主体 201、 限。

15、位弹簧销 202、 电气连 接插座 203 和卡柱 204 ； 被动盘主体 201 上 开有固定槽 205、 圆柱凸对准孔 206 ； 被动盘 2 通过卡柱 204、 主动盘 1 上的卡盘 102、 圆柱凸 105与主动盘1进行连接与锁定 ； 限位弹簧销202对应限位弹簧销孔107为卡盘102提供锁 说 明 书 CN 103406915 A 4 2/4 页 5 定限位， 圆柱凸对准孔 206 对应圆柱凸 105 为主动盘 1 和被动盘 2 增加连接刚度， 电气连接 插头 106 和电器连接插座 203 用于电气连接， 卡柱插入孔 109 用于卡柱 204 的插入， 卡柱锁 紧孔 108 实现卡。

16、柱 204 的拔插限位 ； 所述工具箱 3 包括工具箱基板 301、 卡盘驱动板 302、 驱 动板固定柱 303、 驱动板限位块 304、 电机 305、 弹簧扭 306 和齿轮 312 ； 所述工具箱基板 301 开有前弧形槽 307、 后弧形槽 308 和 U 型工具槽 310， U 型工具槽 310 对应固定槽 205 来固 定被动盘 2， 前弧形槽 307 存放未被使用的被动盘 2， 后弧形槽 308 存放更换过程中的被动 盘2 ； 卡盘驱动板302上开有卡盘柄槽309、 齿条311， 卡盘柄槽309对应卡盘102的柄端， 更 换过程中卡盘柄插入卡盘柄槽 309 中， 齿条 311 。

17、和齿轮 312 啮合， 实现传动连接 ； 电机 305 通过齿轮 312、 齿条 311 与卡盘驱动板 302 连接， 通过齿轮 312 和齿条 311 驱动卡盘驱动板 302 往复运动， 进而带动卡盘 102 正、 反转， 实现末端操作器的自主更换 ； 工具箱 3 通过固定 槽 205、 U 型工具槽 310、 弹簧扭 306 将被动盘 2 固定。 0009 所述卡盘 102 正转过程中， 三个卡柱 204 分别插入相应的三个卡柱锁紧孔 108 中， 同时， 三个楔形限位弹簧销 202 分别插入卡盘 102 上相应的三个限位弹簧销孔 107 中， 以实 现主动盘 1 和被动盘 2 的锁定。 。

18、0010 所述卡盘 102 通过反向转动， 驱动三个卡柱 204 分别插入相应的三个卡柱插入孔 109中， 同时， 将三个限位弹簧销202从相应的三个限位弹簧销孔107中挤压出来， 以实现主 动盘 1 和被动盘 2 的解锁。 0011 所述主动盘 1 和被动盘 2 对接时， 主动盘 1 上的八个圆柱凸 105 分别插入被动盘 2 上对应的八个圆柱凸对准孔 206 中以增加连接刚度。 0012 本发明的原理 ： 空间机械臂更换末端操作器的过程通常可以分为装载和卸载两个 阶段。机械臂在装载末端操作器时自主更换装置会经历对接与锁定过程， 在卸载末端操作 器时会经历解锁过程。本发明的自主更换装置对接过。

19、程采用的是卡盘、 卡柱型结构和圆柱 凸结构。 卡柱插入卡柱插入孔中， 圆柱凸插入圆柱凸对准孔中， 既完成了主动盘和被动盘的 对接， 又增加了二者的连接刚度。 自主更换装置的锁定和解锁过程由工具箱自主完成， 电机 通过齿轮和齿条驱动卡盘驱动板运动， 进而带动卡盘转动， 驱动卡柱旋转至卡柱锁紧孔， 楔 形限位弹簧销插入限位弹簧销孔中， 完成主动盘与被动盘的锁定。 要解锁时， 电机通过齿轮 和齿条驱动卡盘驱动板反向运动， 进而带动卡盘反向转动， 驱动卡柱旋转至卡柱插入孔， 并 且将限位弹簧销从限位弹簧销孔中挤压出， 完成主动盘与被动盘的解锁。 0013 本发明将电机安装于工具箱中既保证了主、 被动盘。

20、的体积小、 质量轻， 又可以驱动 卡盘转动， 保证了末端操作器更换的自主性。主动盘与被动盘采用卡柱、 卡盘型的对接结 构， 卡柱插入与拔出过程简单， 卡盘的旋转由工具箱自主完成， 保证了对接过程简单， 锁定 与解锁快速。此外， 圆柱凸结构增 大了主动盘与被动盘的接触及受力面积， 保证了连接刚 度大。整个装置采用模块化设计， 保证了通用性与可扩展性。 0014 综上所述， 本发明与现有技术相比优点在于 ： 0015 (1) 本发明将电机放于工具箱中， 保证了主、 被动盘体积小、 质量轻， 且具备自主更 换能力 ； 克服了活塞式在太空动力有限、 寿命短的缺点。 0016 (2) 本发明使用卡盘、 。

21、卡柱型的结构设计， 主、 被动盘结构简单， 保证了对接过程简 单、 快速 ； 克服了螺杆销式机械结构和更换过程复杂的缺点。 0017 (3) 本发明采用圆柱凸结构设计， 保证了主、 被动盘连接刚度大 ； 克服了曲柄盘式 说 明 书 CN 103406915 A 5 3/4 页 6 和螺杆销式连接刚度小的缺点。 0018 (4) 本发明的主、 被动盘采用模块化设计， 可以扩展多个被动盘， 保证了更换装置 的通用性与可扩展性。 附图说明 0019 图 1 为本发明的整体结构示意图 ； 0020 图 2 为本发明的整体俯视图 ； 0021 图 3a 为本发明的主动盘和被动盘连接状态下的主视图 ； 0。

22、022 图 3b 为本发明的主动盘和被动盘连接状态下的剖面图 ； 0023 图 3c 为本发明的主动盘和被动盘连接状态下的俯视图 ； 0024 图 4 为本发明的主动盘部分的结构示意图 ； 0025 图 5 为本发明的被动盘部分的结构示意图 ； 0026 图 6 为本发明的自主更换装置卸载末端操作器的示意图 ； 0027 图 7 为本发明的自主更换装置装载末端操作器的示意图 ； 注 ： 附图中相同的结构 只标注了一次， 但是可以存在多个 ； 如 105 有 8 个， 107 有 3 个， 108 有 3 个， 109 有 3 个， 202 有 3 个， 204 有 3 个， 303 有 2 个。

23、， 304 有 2 个， 306 有 3 对， 307 有 3 个， 308 有 3 个， 309 有 3 个， 310 有 3 个。 具体 1 施方式 0028 如图 1 为本发明的空间机械臂末端操作器的卡盘式快速自主更换装置包括 ： 主动 盘 1、 被动盘 2、 工具箱 3。 0029 主动盘 1， 如图 4 所示， 包括主动盘主体 101、 卡盘 102、 卡盘限位柱 103、 圆柱凸盘 104、 圆柱凸 105、 电气连接插头 106 ； 所述卡盘 102 上开有限位弹簧销孔 107、 卡柱锁紧孔 108、 卡柱插入孔109、 卡盘限位槽110 ； 卡盘限位柱103安装在主动盘主体10。

24、1上， 插入卡盘 限位槽 110 中， 且可以沿槽滑动 ； 卡盘 102 通过圆柱凸盘 104 安装于主动盘主体 101 上， 且 可以绕中心转动， 卡盘限位柱 103 提供转动限位。 0030 被动盘 2， 如图 5 所示， 包括被动盘主体 201、 限位弹簧销 202、 电气连接插座 203、 卡柱 204 ； 所述被动盘主体 201 上开有固定槽 205、 圆柱凸对准孔 206 ； 如图 3a、 图 3b 和图 3c 所示， 被动盘 2 通过卡柱 204、 主动盘 1 上的卡盘 102、 圆柱凸 105 与主动盘 1 进行连接与 锁定 ； 限位弹簧销 202 对应限位弹簧销孔 107 为。

25、卡盘 102 提供锁定限位， 圆柱凸对准孔 206 对应圆柱凸 105 为主动盘 1 和被动盘 2 增加连接刚度， 电气连接插头 106 和电器连接插座 203用于电气连接， 卡柱插入孔109用于卡柱204的插入， 卡柱锁紧孔108实现卡柱204的 拔插限位。 0031 如图 1、 2 中所示， 工具箱 3 包括工具箱基板 301、 卡盘驱动板 302、 驱动板固定柱 303、 驱动板限位块304、 电机305、 弹簧扭306、 齿轮312 ； 所述工具箱基板301开有前弧形槽 307、 后弧形槽 308、 U 型工具槽 310， U 型工具槽 310 对应固定槽 205 来固定被动盘 2， 。

26、前弧 形槽 307 存放未被使用的被动盘 2， 后弧形槽 308 存放更换过程中的被动盘 2 ； 卡盘驱动板 302 上开有卡盘柄槽 309、 齿条 311， 卡盘柄槽 309 对应卡盘 102 的柄端， 更换过程中卡盘柄 插入卡盘柄槽 309 中， 齿条 311 和齿轮 312 啮合， 实现传动连接 ； 电机 305 通过齿轮 312、 齿 说 明 书 CN 103406915 A 6 4/4 页 7 条 311 与卡盘驱动板 302 连接， 通过齿轮 312 和齿条 311 驱动卡盘驱动板 302 往复运动， 进 而带动卡盘 102 正、 反转， 实现末端操作器的自主更换 ； 工具箱 3 。

27、通过固定槽 205、 U 型工具 槽 310、 弹簧扭 306 将被动盘 2 固定。 0032 机械臂自主更换末端操作器的过程分为两个阶段 ： 机械臂使用自主更换装置卸载 末端操作器的阶段和装载末端操作器的阶段。 0033 自主更换装置卸载末端操作器的阶段 ： 首先， 机械臂携末端操作器完成与工具箱 上 U 型槽 310 的对准， 如图 6 所示。随后， 机械臂携带末端操作器进入后弧形槽 308 中， 当 机械臂检测到卡盘柄和卡盘柄槽309对准时， 工具箱上的电机305通过齿轮312和齿条311 驱动卡盘驱动板 302 运动， 进而带动卡盘 102 转动， 使得三个卡柱 204 旋转至对应的三。

28、个卡 柱插入孔 109 中， 并且将三个弹簧限位销 202 从三个弹簧限位销孔 107 中挤压出， 实现主 动盘 1 与被动盘 2 的解锁。机械臂将被动盘置于前弧形槽 307 中， 完成机械臂与末端操作 器 4 的卸载。 0034 自主更换装置装载末端操作器的阶段 ： 如图 7 所示， 机械臂携主动盘 1 完成与被 动盘 2 的对准后， 三个卡柱 204 插入对应的三个卡柱插入孔 109 中， 八个圆柱凸 105 分别插 入被动盘 2 上对应的八个圆柱凸对准孔 206 中。机械臂带动被动盘 2 运动到后弧形槽 308 后， 工具箱上的电机 305 通过齿轮 312 和齿条 311 驱动卡盘驱动。

29、板 302 反向运动， 进而带动 卡盘 102 反向转动， 使得三个卡柱 204 旋转至三个卡柱锁紧孔 108 中， 三个弹簧限位销 202 分别插入相应的三个弹簧限位销孔 107 中， 实现主动盘 1 与被动盘 2 的锁定。机械臂运动， 脱离工具箱， 完成机械臂与末端操作器 4 的装载。 0035 同理， 机械臂还可以通过主动盘 1 与被动盘 5 和 7 对接进而装载末端操作器 6 和 8， 以完成对不同末端操作器的更换。 0036 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 说 明 书 CN 103406915 A 7 1/7 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103406915 A 8 2/7 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103406915 A 9 3/7 页 10 图 3a 说 明 书 附 图 CN 103406915 A 10 4/7 页 11 图 3b 图 3c 说 明 书 附 图 CN 103406915 A 11 5/7 页 12 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103406915 A 12 6/7 页 13 图 6 说 明 书 附 图 CN 103406915 A 13 7/7 页 14 图 7 说 明 书 附 图 CN 103406915 A 14 。