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基于形状记忆合金的电控按钮型对接锁定机构
申请号	CN202311556768.2	申请日	2023-11-21	公开(公告)号	CN117550102A	公开(公告)日	2024-02-13
申请人	航天东方红卫星有限公司; 北京理工大学;			发明人	王海明; 丁奕冰; 周文祥; 唐恬恬; 罗凯;
摘要	本发明涉及空间航天器对接锁定技术领域，提供了一种基于形状记忆合金的电控按钮型对接锁定机构，能够实现简单、可控和高效的解锁。本发明通过将形状记忆合金与机械式按钮型对接锁定机构相结合，在保证机构具有较大的夹紧力的同时重点考虑了解锁操作难度，使得所构建的按钮型对接锁定机构在保证有较大夹紧力的同时具有电控自动解锁的特点，解决了按钮型锁紧器在航天器对接锁定过程中解锁操作难度高的问题。
权利要求	1.一种基于形状记忆合金的电控按钮型对接锁定机构，包括主动对接机构和被动对接机构，其特征在于，经过预处理的形状记忆合金丝接入导线连接到对接锁定机构中；主动对接机构的主体为导向杆，导向杆与主动连接平板相连，主动连接平板的一侧设有通孔，用于与追踪星连接；被动对接机构安装在目标星上；在对接过程中主动对接机构与被动对接机构之间发生接触碰撞，从而引导空间机构的对接并实现锁紧，解锁时利用电控辅助装置辅助给形状记忆合金丝通电加热后，形状记忆合金丝发生收缩运动，从而带动解锁。 2.如权利要求1所述的机构，其特征在于，被动对接机构的主体为按钮型锁紧器，锁紧器的末端为解锁按钮，锁紧器的前端与接纳锥的末端相接；接纳锥通过弹簧与带有通孔的“几”字型限位件相连，该“几”字型限位件与Z型连接件和两块L型限位板装配；Z型连接件前侧中部的通孔配合弹簧用于限制接纳锥的刚体位移，Z型连接件后侧中部的通孔与螺纹连接器装配，与航天器的主体圆杆桁架连接，Z型连接件前侧左、右部有四个通孔，四根经过预处理的形状记忆合金丝分别穿过这四个通孔，一端打结后固定在Z型连接件上，另一端连接四个锁绳器；锁绳器的末端和形状记忆合金丝的打结端分别接出导线，导线绕着主体桁架并可与机械臂末端抓手相连形成通路，用于解锁时对形状记忆合金丝进行供电加热；四个锁绳器与铝压板装配，铝压板用于按压锁紧器的末端按钮实现解锁；两块L型限位板用于限制铝压板的横向位移。 3.如权利要求1或2所述的机构，其特征在于，所述形状记忆合金丝的预处理过程为：低温状态下，对形状记忆合金丝施加轴向外力使其发生变形，卸载轴向外力后形状记忆合金丝将保留该预变形。 4.如权利要求2所述的机构，其特征在于，主动对接机构和被动对接机构靠近时，导向杆前端的球带与接纳锥的锥面发生碰撞，在接纳锥内表面的引导下向按钮型锁紧器运动，当导向杆滑进锁紧槽内锁紧即完成对接锁紧过程。 5.如权利要求2或4所述的机构，其特征在于，在主动对接机构和被动对接机构分离时，机械臂末端抓手给导线供电，连接在导线另一端的四根形状记忆合金丝通电加热，当温度上升至形状记忆合金丝的相变温度，形状记忆合金丝发生收缩变形；固定在锁绳器的另一端带动铝压板向锁紧器的方向运动，铝压板推动锁紧器的解锁按钮8实现主动对接机构的解锁，在轨机械臂末端抓手抓取被动对接机构使其彼此分离，至此完成解锁过程。
说明书全文	基于形状记忆合金的电控按钮型对接锁定机构技术领域 [0001] 本发明涉及空间航天器对接锁定技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的电控按钮型对接锁定机构。背景技术 [0002] 随着航天技术的发展和航天任务日益复杂，空间结构呈现大型化的发展趋势。在轨组装由于其强扩展性、可持续升级等优点已成为构建大型空间结构的重要途径。在轨组装的方式构建大型结构涉及到待组装模块的运输、装配等多个过程，其中对接锁定机构发挥着至关重要的作用。常见的三种机械式对接锁定机构分别为锥杆式、周边式和爪式，其中锥杆式是三种对接锁紧机构中最早出现也是最为成熟的技术。锥杆式对接锁定机构由主动对接杆与被动接纳锥两部分组成，在对接过程中对接杆与接纳锥之间发生接触碰撞，从而引导空间机构的在一定的交会误差下进入捕获域。 [0003] 常见的机械式锁紧器按照锁定方式分类主要有球型、旋钮型和按钮型。球型锁紧器通过数个沿接纳锥环向排列的球实现对接杆的向心安装，并利用球的位移对对接杆进行限位锁定，解锁时仅需要施加背心方向的拉力，因此夹紧力较小，可靠性低。旋钮型和按钮型锁紧器在球型锁紧器的基础上均增加了锁紧安全机构，解锁时需要分别旋转或持续按压接纳锥尾部的旋(按)钮，因此大幅提升了锁紧机构的锁紧力，增加了对接后将多个空间模块转化为一个完整结构的可靠性，对后续的结构调姿和稳定保持起了至关重要的作用。 [0004] 虽然现有的旋钮型和按钮型的对接锁紧机构虽然具有很高的对接锁紧力，但其解锁过程对机器臂的操控有着较高的要求。比如应用按钮型对接锁定器，在航天器解锁过程中需要在轨机器人持续施加按压力，增大了在轨对接任务的操作难度。除此之外，对于大型航天结构来说，解锁过程通常需要对数量众多的锁紧器进行旋转或按压解锁，对有限数量的在轨机器人进行一一解锁耗时长、效率低下，增大了在轨对接任务的时间复杂度。发明内容 [0005] 有鉴于此，本发明提供了一种基于形状记忆合金的电控按钮型对接锁定机构，能够实现简单、可控和高效的解锁。 [0006] 为实现上述目的，本发明技术方案如下： [0007] 一种基于形状记忆合金的电控按钮型对接锁定机构，包括主动对接机构和被动对接机构，经过预处理的形状记忆合金丝接入导线连接到对接锁定机构中；主动对接机构的主体为导向杆，导向杆与主动连接平板相连，主动连接平板的一侧设有通孔，用于与追踪星连接；被动对接机构安装在目标星上；在对接过程中主动对接机构与被动对接机构之间发生接触碰撞，从而引导空间机构的对接并实现锁紧，解锁时利用电控辅助装置辅助给形状记忆合金丝通电加热后，形状记忆合金丝发生收缩运动，从而带动解锁。 [0008] 其中，被动对接机构的主体为按钮型锁紧器，锁紧器的末端为解锁按钮，锁紧器的前端与接纳锥的末端相接；接纳锥通过弹簧与带有通孔的“几”字型限位件相连，该“几”字型限位件与Z型连接件和两块L型限位板装配；Z型连接件前侧中部的通孔配合弹簧用于限制接纳锥的刚体位移，Z型连接件后侧中部的通孔与螺纹连接器装配，与航天器的主体圆杆桁架连接，Z型连接件前侧左、右部有四个通孔，四根经过预处理的形状记忆合金丝分别穿过这四个通孔，一端打结后固定在Z型连接件上，另一端连接四个锁绳器；锁绳器的末端和形状记忆合金丝的打结端分别接出导线，导线绕着主体桁架并可与机械臂末端抓手相连形成通路，用于解锁时对形状记忆合金丝进行供电加热；四个锁绳器与铝压板装配，铝压板用于按压锁紧器的末端按钮实现解锁；两块L型限位板用于限制铝压板的横向位移。 [0009] 其中，所述形状记忆合金丝的预处理过程为：低温状态下，对形状记忆合金丝施加轴向外力使其发生变形，卸载轴向外力后形状记忆合金丝将保留该预变形。 [0010] 其中，主动对接机构和被动对接机构靠近时，导向杆前端的球带与接纳锥的锥面发生碰撞，在接纳锥内表面的引导下向按钮型锁紧器运动，当导向杆滑进锁紧槽内锁紧即完成对接锁紧过程。 [0011] 其中，在主动对接机构和被动对接机构分离时，机械臂末端抓手给导线供电，连接在导线另一端的四根形状记忆合金丝通电加热，当温度上升至形状记忆合金丝的相变温度，形状记忆合金丝发生收缩变形；固定在锁绳器的另一端带动铝压板向锁紧器的方向运动，铝压板推动锁紧器的解锁按钮8实现主动对接机构的解锁，在轨机械臂末端抓手抓取被动对接机构使其彼此分离，至此完成解锁过程。 [0012] 有益效果： [0013] 1、本发明通过将形状记忆合金与机械式按钮型对接锁定机构相结合，在保证机构具有较大的夹紧力的同时重点考虑了解锁操作难度，使得所构建的按钮型对接锁定机构在保证有较大夹紧力的同时具有电控自动解锁的特点，解决了按钮型锁紧器在航天器对接锁定过程中解锁操作难度高的问题。 [0014] 2、本发明按钮型对接锁定机构具有电控自动解锁的特点，解锁过程中只需在轨机械臂末端抓手远程供电，无需再依靠机械臂自身的操作解锁。该设计不仅降低了机械臂解锁潜在的安全风险，更大幅提升了对接机构的解锁效率。 [0015] 3、本发明按钮型对接锁定机构采用解锁辅助材料形状记忆合金，记忆合金具有质量小和力学变形形式简单的特点，使得锥杆式对接机构仍保持其结构简单、体积小和质量小的特点。 [0016] 4、本发明按钮型对接锁定机构解锁原理简单且可靠：将形状记忆合金丝通电后加热收缩释放的弹性势能转化成铝压板的动能，从而推动铝压板持续按压解锁按钮。解锁设计简单且巧妙，充分发挥了形状记忆合金丝的作动潜力，易实现超大规模对接任务的应用。附图说明 [0017] 图1为本发明实施例中主动机构与被动机构对接时的示意图。 [0018] 图2为本发明实施例中主动机构的正等轴测图。 [0019] 图3为本发明实施例中被动机构的正等轴测图。 [0020] 图4为本发明实施例中被动机构的俯视图。 [0021] 图5为本发明实施例中被动机构的剖视图。 [0022] 图中，1‑主动对接机构，2‑导向杆，3‑螺纹孔a，4‑主动连接平板，5‑通孔a，6‑被动对接结构，7‑按钮型锁紧器，8‑锁紧器解锁按钮，9‑接纳锥，10‑弹簧，11‑“几”字型限位件，12‑Z型连接件，13‑L型限位板，14‑螺纹连接器，15‑圆杆桁架，16‑形状记忆合金丝，17‑锁绳器，18‑导线，19‑机械臂末端抓手，20‑铝压板，21‑通孔b，22‑通孔c，23‑螺栓c，24‑螺母c， 25‑通孔d，26‑通孔e，27‑螺栓e，28‑通孔f，29‑螺纹g，30‑螺纹孔g，31‑通孔h，32‑螺栓h，33‑螺母h。具体实施方式 [0023] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。 [0024] 本发明基于形状记忆合金的电控按钮型对接锁定机构包括主动对接机构1和被动对接机构6，主动机构与被动机构对接时的示意图如图1所示。 [0025] 主动对接机构1安装在追踪星，具体地，主动对接机构1的主体为导向杆2，导向杆2通过螺纹孔a3与主动连接平板4相连，主动连接平板4的一侧设有通孔a5，用于与追踪星连接，图2为本发明实施例中主动机构的正等轴测图。 [0026] 被动对接机构6安装在目标星上，在对接过程中主动对接机构1与被动对接机构6之间发生接触碰撞，从而引导空间机构的对接并实现锁紧，解锁时利用电控辅助装置辅助完成解锁。图3为本发明实施例中被动机构的正等轴测图，图4为本发明实施例中被动机构的俯视图，图5为本发明实施例中被动机构的剖视图。具体地，被动对接机构6的主体为按钮型锁紧器7，锁紧器7的末端为解锁按钮8，锁紧器7的前端与接纳锥9的末端相接；接纳锥9通过四个弹簧10与带有通孔b21的“几”字型限位件11相连，该“几”字型限位件11两端有四个通孔c22，通过螺栓c23和螺母c24与Z型连接件12和两块L型限位板13装配；Z型连接件12前侧中部的通孔d25配合弹簧10用于限制接纳锥9的刚体位移，Z型连接件后侧中部的通孔e26通过螺栓e27与螺纹连接器14装配，与航天器的主体圆杆桁架15连接，Z型连接件前侧左、右部有四个通孔f28，四根经过预处理的形状记忆合金丝16分别穿过这四个通孔f28，一端打结后固定在Z型连接件12上，另一端连接四个锁绳器17；锁绳器17的末端和形状记忆合金丝16的打结端分别接出导线18，导线18绕着主体桁架15并可与机械臂末端抓手19相连形成通路，用于解锁时对形状记忆合金丝16进行供电加热；四个锁绳器17通过表面螺纹g29与铝压板20上的螺纹孔g30装配，铝压板20用于按压锁紧器7的末端按钮8实现解锁；两块L型限位板13的末端有通孔h31，通过螺栓h32和螺母h33进行装配，用于限制铝压板20的横向位移。 [0027] 其中，所述形状记忆合金丝16的预处理过程为：低温状态下，对形状记忆合金丝施加轴向外力使其发生变形，卸载轴向外力后形状记忆合金丝将保留该预变形。该过程主要利用了形状记忆合金的形状记忆效应：处于奥氏体状态的形状记忆合金在低温冷却下呈现挛晶马氏体状态，挛晶马氏体加载后又卸载其预变形将被保留，再次通电加热后释放预变形回复至初始奥氏状态。具体在本发明机构中体现为：经过预处理的形状记忆合金丝16接入导线连接到对接锁定机构中，当机械臂末端抓手19给形状记忆合金丝16通电加热后，处于非挛晶马氏体状态的形状记忆合金丝16发生相变，相变过程中低温状态下保留的预应变被释放，形状记忆合金丝16发生收缩运动，从而带动铝压板20按压锁紧器7末端解锁按钮8。 [0028] 本发明机构的对接锁紧过程为：主动对接机构1和被动对接机构6靠近时，导向杆2前端的球带与接纳锥9的锥面发生碰撞，在接纳锥9内表面的引导下向按钮型锁紧器7运动，当导向杆2滑进锁紧槽内锁紧即完成对接锁紧过程。 [0029] 本发明机构的电控自动解锁过程为：在主动对接机构1和被动对接机构6分离时，机械臂末端抓手19给导线18供电，连接在导线另一端的四根形状记忆合金丝16通电加热，当温度上升至形状记忆合金丝16的相变温度，形状记忆合金丝16发生收缩变形。由于形状记忆合金丝16的一端打结固定在Z型连接件12上，因此固定在锁绳器17的另一端带动铝压板20向锁紧器7的方向运动，铝压板推动锁紧器7的解锁按钮8实现主动对接机构1的解锁，在轨机械臂末端抓手19抓取被动对接机构2使其彼此分离，至此完成解锁过程。上述解锁过程中，将形状记忆合金丝16通电后加热收缩释放的弹性势能转化成铝压板20的动能，从而推动铝压板20持续按压解锁按钮8，实现了按钮型锁紧器7电控自动解锁过程。 [0030] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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