[发明专利]一种空间机械臂末端操作器的卡盘型快速自主更换装置

说明书

技术领域

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

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装置应运而生。 

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。 

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。 

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。 

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

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。 

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，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。 

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。 

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。