Специализированное захватное устройство для манипулятора космического назначения

Специализированное захватное устройство относится к космической технике, а именно к средствам и инструментам внекорабельной деятельности. Специализированное захватное устройство предназначено для захвата, удержания, ориентации и освобождения свободнолетающих космических объектов, и взаимодействует с соответствующими ему ответными элементами: такелажным элементом или базовой точкой.
Известно захватное устройство (патент США №4955654) манипулятора Canadarm2. Захватное устройство (ЗУ) представляет собой электромеханическое устройство с исполнительным механизмом для осуществления захвата и фиксации такелажного элемента. Исполнительный механизм выполнен в виде сборки из трех тросов. Один конец каждого из трех захватных тросов присоединен к цилиндрическому корпусу ЗУ, в то время как другой соединен с внутренним поворотным кольцом, формируя ловушку для захватного штыря. Когда штырь такелажного элемента (ТЭ) попадает в зону захвата, внутреннее поворотное кольцо поворачивается приводом на угол 80°, затягивая тросы вокруг штыря ТЭ. На заключительном этапе стыковки происходит ужесточение стыка путем подтягивания ЗУ до совмещения соединительных фланцев. Недостатками данного захватного устройства является отсутствие фазы предзахвата и большие габаритные размеры ЗУ.
Известно захватное устройство европейского манипулятора ERA [1]. В механизм захвата входят три защелки в форме крюков, которые через рычажное звено подсоединены к подвижной платформе. Крюки находятся в подпружиненном состоянии за счет винтовых пружин. При контакте с препятствием защелка утапливается, преодолевая силу сопротивления пружин. После сцепки защелок с ответным фланцем такелажного элемента механизм захвата движением подвижной платформы подтягивает соединяемые фланцы, выравнивает их и при дальнейшем движении платформы стыкует электроразъемы и ужесточает соединение. Недостатками данного захватного устройства является отсутствие фазы предзахвата и малые значения допустимых рассогласований взаимного относительного положения ЗУ с ТЭ.
За прототип выбрано активное устройство фиксации полезного груза преимущественно к корпусу находящегося на орбите космического корабля (патент РФ №2583993). Устройство состоит из корпуса, выравнивающих рычагов и выдвижной штанги, снабженной приводом с шариковинтовой парой, головки с защелками, установленной на конце штанги и датчиков касания и положения защелок. На стыковочной плоскости корпуса установлены профилированные выравнивающие лепестки, выдвижная штанга выполнена в виде шариковинтовой пары, приводимой в движение внешним приводом (например, приводом сменного инструмента манипулятора ERA). Управляемые защелки головки захвата снабжены элементами фиксации положения, в кинематической цепи привода установлена тормозная муфта для фиксации полезного груза в обесточенном состоянии.
Активное устройство фиксации функционирует в следующей последовательности:
- сближение с пассивным устройством фиксации (базовой точкой), головка находится в «конечном» втянутом положении, защелки головки выставлены;
- контакт выравнивающих лепестков на корпусах обоих устройств с последующим скольжением лепестков относительно друг друга;
- выдвижение головки до «исходного» положения, прощелкивание защелок;
- фиксация базовой точки втягиванием головки до «конечного» положения.
Расстыковка устройства с пассивным устройством фиксации производится в обратной последовательности.
Недостатками данного устройства являются отсутствие фазы предварительного захвата базовой точки, что может привести к потере полезного груза в случае нештатной ситуации, наличие шариковинтовой пары, требующей дополнительной установки нормальнозамкнутого тормоза, расстыковка устройства усилиями манипулятора.
Задачами предложенной полезной модели являются создание специализированного захватного устройства и соответствующей ему базовой точки такелажного элемента, позволяющих осуществлять стыковку и последующую фиксацию при наличии погрешностей позиционирования и ориентации, при этом фиксация базовой точки при нештатном отключении питания должна сохраняться неограниченно долго.
Технический результат - увеличение значений предельно допустимых погрешностей позиционирования и ориентации.
Предлагаемое захватное устройство, в отличие от прототипа, может осуществлять фазу предварительного захвата благодаря конфигурации контактной части выдвижной штанги головки захвата. Существенными признаками, отличающими заявляемую полезную модель от прототипа, являются: наличие втулки с двумя группами винтовых пазов, переменные углы подъема которых соответственно позволяют задать необходимый закон движения головки захвата захватного устройства и последующее удержание базовой точки в зафиксированном состоянии для первой группы пазов и обеспечить автономную стыковку электрических разъемов после устранения механических угловых и линейных рассогласований относительного положения захватного устройства и базовой точки; наличие в активной части захватного устройства независимого механизма сочленения электроразъемов.
На фиг. 1 и фиг 2 изображены захватное устройство в разрезе и развертка винтовых пазов втулки 1. Ключевым элементом захватного устройства является втулка 1, оснащенная двумя группами винтовых пазов с переменным углом подъема. Втулка 1 приводит в поступательное движение пальцевую втулку с игольчатыми подшипниками 2. Втулка с двумя линейными пазами 3, жестко закрепленная на корпусе 4, препятствует повороту пальцевой втулки 2. Таким образом, вращательное движение втулки 1 преобразуется в поступательное движение втулки 2. Вращение передается через втулку 5 от волнового редуктора 6. С жесткого колеса редуктора снимается крутящий момент, гибкое колесо заторможено.
Пальцевая втулка 2 жестко связана с головкой захвата 7. Внутри головки захвата расположен подпружиненный шток 8, с помощью которого ведется управление тремя защелками 9 через тяги 10. На конце штока расположен стопор 11, необходимый для реализации фазы расстыковки. Стопор 11 линейно перемещается внутри втулки 12, жестко связанной с корпусом 4.
На лицевой стороне корпуса расположены три выравнивающих лепестка 13. Три вилки электроразъемов 14 закреплены на независимом механизме сочленения электроразъемов 15, который приводится в действие после осуществления механической стыковки специализированного захватного устройства с базовой точкой, что позволяет добиться увеличения значений допустимых погрешностей позиционирования и уменьшения необходимых усилий для реализации фазы предварительного захвата базовой точки.
В конструкции используется вентильный электродвигатель, статор 16 которого жестко связан с корпусом 4. Ротор 17 передает вращение на волновой генератор редуктора. Управление двигателем ведется с помощью датчика положения ротора, состоящего из кольца с рисками 18 и считывающей головки 19. Положение втулки 1 можно характеризовать с помощью профильного кольца 20, управляющего тремя микропереключателями.
Базовая точка изображена на фиг. 3. Она состоит из лицевого фланца 21, жестко связанного со стаканом 22. На лицевом фланце расположены три розетки электроразъема 23 и три выравнивающих паза.
Этапы взаимодействия захватного устройства с базовой точкой показаны на фиг. 4. Захватное устройство подходит с допустимыми взаимными рассогласованиями к базовой точке, головка захвата находится в положении «готовность к захвату», механизм сочленения электроразъемов утоплен; происходит прощелкивание головки захвата в отверстии базовой точки, тем самым реализуя фазу предварительного захвата; втулка с винтовыми пазами поворачивается до положения «ЗУ закрыто», втягивая головку захвата и реализуя фиксацию базовой точки. Затем выдвигается механизм сочленения электроразъемов. Во время расстыковки втулка с винтовыми пазами поворачивается до положения «ЗУ открыто», механизм сочленения электроразъемов и защелки утапливаются, захватное устройство освобождает базовую точку. Манипулятор перемещает освобожденное захватное устройство из базовой точки.
Задача осуществления стыковки при наличии погрешностей позиционирования и ориентации реализуется конструктивными особенностями головки захвата и базовой точки. Обеспечение стыковки/расстыковки при отклонении сил и моментов от оптимального направления реализуется собственным механизмом фиксации и расстыковки базовой точки, не требующим участия манипулятора в реализации этих этапов. Аварийная механическая расстыковка решается путем установки размыкающей муфты между втулкой 5 и жестким колесом волнового редуктора 6.
Задача фиксации базовой точки при потере питания электродвигателя и осуществление режима самоторможения достигается за счет уменьшения угла подъема винтовых пазов (в пределе до нулевого значения) и низкого обратного КПД волнового редуктора.
Литература:
1 Ракетно-космическая техника, Труды РКК «Энергия». Серия XII. Выпуск 1-2 / под ред. М.Ю. Беляева - Королев, 2015.