本發(fā)明涉及一種LRU(Line Replaceable unit在線可替換單元)模塊的現(xiàn)場(chǎng)裝校的模塊位姿自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，LRU是指大型復(fù)雜光機(jī)系統(tǒng)中主要的光學(xué)元件和光學(xué)部件被制成模塊化可替換的組件，也叫做在線可替換單元；屬于高精度、微重力、無(wú)源柔順對(duì)接裝校領(lǐng)域，尤其是涉及一種五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著科技的發(fā)展，人類對(duì)于未知領(lǐng)域的探索也逐漸深入，進(jìn)入外太空已不再是夢(mèng)想。為了更加安全高效的利用外太空環(huán)境，如何提供逼真的太空微重力模擬環(huán)境，在地面驗(yàn)證太空中工作的各種結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)的功能與性能，是諸多學(xué)者關(guān)注的一個(gè)重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的科學(xué)研究與工程應(yīng)用研究。

近年來(lái)，地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不單單用于空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)的地面模擬試驗(yàn)，在智能助力設(shè)備上也受到越來(lái)越多的應(yīng)用。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃是一個(gè)全球范圍內(nèi)的科研合作項(xiàng)目，其規(guī)模巨大、影響深遠(yuǎn)，ITER裝置是一個(gè)巨大的托克馬克，它能夠產(chǎn)生大規(guī)模的、可以控制的核聚變反應(yīng)。該裝置內(nèi)受損模塊的更換是在非常復(fù)雜的環(huán)境和空間中進(jìn)行對(duì)接與空間六自由度的定位，已經(jīng)成功地采用了具有微重力補(bǔ)償?shù)倪b控主機(jī)械手完成受損模塊的更換。

在太空中，由于距離遙遠(yuǎn)物體的萬(wàn)有引力為零，或多個(gè)星球?qū)ν晃矬w的萬(wàn)有引力相等，或萬(wàn)有引力與物體運(yùn)動(dòng)的慣性力相等，就產(chǎn)生了理想的零重力環(huán)境，即：物體任何細(xì)小單元的質(zhì)心不受任何力的作用。設(shè)：物體某細(xì)小單元的質(zhì)量為σm，則該細(xì)小單元的質(zhì)心所受的萬(wàn)有引力、慣性力等場(chǎng)力(場(chǎng)力矩)為零或多個(gè)場(chǎng)力的合力(合力矩)為零，即：場(chǎng)力(合力)Fx＝Fy＝Fz＝0，場(chǎng)力矩(合力矩)Mx＝My＝Mz＝0。場(chǎng)力及場(chǎng)力矩的大小與質(zhì)量σm成正比，與距離(如：兩物體萬(wàn)有引力的距離、物體圓周運(yùn)動(dòng)的半徑等)的平方成反比。

LRU(Line Replaceable unit在線可替換單元)模塊具有體積大、質(zhì)量大，潔凈度高、與對(duì)接燈箱的間隙小，要求在對(duì)接裝校過(guò)程中，模塊所受接觸應(yīng)力足夠小，這就對(duì)模塊的位姿要求非常高，如果位姿超過(guò)預(yù)期范圍，就會(huì)造成對(duì)接失敗甚至損壞模塊，其損失不可估量。一般的對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)模塊的位置調(diào)整都是主動(dòng)式，即便采用全閉環(huán)來(lái)控制方法來(lái)調(diào)整模塊位姿也無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確對(duì)接，其次，在對(duì)接過(guò)程中，對(duì)接機(jī)構(gòu)內(nèi)部不允許增加輔助設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)對(duì)接的實(shí)際情況，這就要求模塊的對(duì)接機(jī)構(gòu)本身具有自適應(yīng)位姿調(diào)整功能。本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)對(duì)接機(jī)構(gòu)的不足，提出了一種無(wú)動(dòng)力輸入、五自由度柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是無(wú)需增加額外的動(dòng)力源、實(shí)現(xiàn)零重力、柔順自適應(yīng)對(duì)接，對(duì)接過(guò)程幾乎不產(chǎn)生接觸應(yīng)力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)，用于LRU模塊現(xiàn)場(chǎng)裝校的模塊位姿的自適應(yīng)調(diào)整，并提供五自由度的運(yùn)動(dòng)功能，其中五自由度包括X方向的移動(dòng)、Y方向的移動(dòng)、繞θx軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、繞θy軸的轉(zhuǎn)動(dòng)以及繞θz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠適用于微重力對(duì)接裝校。該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，且自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)范圍小、機(jī)構(gòu)靈敏度高，在微小的干擾的情況下能夠滿足模塊位姿的自適應(yīng)能力。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)方案是：該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)由三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)和繞θx/θy/θz三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)分級(jí)串聯(lián)組成，其中兩個(gè)調(diào)整平臺(tái)都有繞Z轉(zhuǎn)動(dòng)θz，為一個(gè)重復(fù)自由度。該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)第一級(jí)為X方向和Y方向的兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)、繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三自由度調(diào)整平臺(tái)，第二級(jí)為繞X軸和繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)。

該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的五個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)分層實(shí)現(xiàn)，前三個(gè)自由度調(diào)整平臺(tái)位于最底層，最上一層為兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整平臺(tái)，機(jī)構(gòu)采用串聯(lián)式，串聯(lián)順序?yàn)橐粋€(gè)三自由度調(diào)整平臺(tái)和一個(gè)兩自由度調(diào)整平臺(tái)。

該三自由度調(diào)整平臺(tái)由底座托板、球鉸支撐座和運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。該運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)由保持架和滾珠組成的運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)卡環(huán)、中心軸擋板、中心軸等連接件連接組成。該運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)通過(guò)連接該底座托板和該球鉸支撐座來(lái)實(shí)現(xiàn)X方向移動(dòng)和Y方向移動(dòng)以及繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)自由度的調(diào)整功能。

該兩自由度調(diào)整平臺(tái)采用了與傳統(tǒng)的球鉸所不同的結(jié)構(gòu)，其中該兩自由度調(diào)整平臺(tái)由球鉸支撐座和球鉸機(jī)構(gòu)組成，該球鉸機(jī)構(gòu)是由球鉸底座、擋塊、滾動(dòng)體、球冠體組成，其中該滾動(dòng)體和該球冠體構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)θx進(jìn)而繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)θy兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整功能。

本發(fā)明進(jìn)一步提供一種五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)，其包括一個(gè)三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)和一個(gè)兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)，其中該兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)設(shè)置于該三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)上部，且該兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)串聯(lián)于該三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)，其中該三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)包括一個(gè)底座托板、一個(gè)球鉸支撐座、一個(gè)保持架、一組滾珠、一個(gè)卡環(huán)、一個(gè)中心軸擋板以及一個(gè)中心軸，該球鉸支撐座、該保持架、該底座托板以及該中心軸擋板相互重疊地設(shè)置，該中心軸依次穿過(guò)該球鉸支撐座、該保持架、該底座托板和該中心軸擋板的中心孔，且該卡環(huán)卡設(shè)在該中心軸的下端部，各個(gè)該滾珠被該保持架保持在該球鉸支撐座和該底座托板之間，其中該兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)包括一個(gè)球鉸底座、一個(gè)擋塊、一組滾動(dòng)體以及一個(gè)球冠體，該球鉸底座設(shè)置于該球鉸支撐座，該擋塊設(shè)置在該球鉸底座和該球鉸支撐座之間，該球冠體安裝于該球鉸底座的安裝腔，且各個(gè)該滾動(dòng)體分別相互間隔地保持在該球冠體和該球鉸底座之間。

作為對(duì)本發(fā)明的該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，該兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)的該球鉸底座、各個(gè)該滾動(dòng)體和該球冠體形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，且該球冠體的中心位于該轉(zhuǎn)動(dòng)副的球心之下。

作為對(duì)本發(fā)明的該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例，該轉(zhuǎn)動(dòng)副為非完全轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明的該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的有益效果是：

1、該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)不需要輸入動(dòng)力源，在裝載時(shí)能夠主動(dòng)自適應(yīng)地調(diào)整模塊位姿使模塊位姿滿足柔順對(duì)接要求。

2、該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、巧妙，不需要外部電器元件或者裝置，而是利用純機(jī)械式的方式主動(dòng)調(diào)整模塊位姿。

3、該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)免去了復(fù)雜的閉環(huán)控制，減少了對(duì)接過(guò)程中的模塊和箱體間接觸應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的柔順對(duì)接。

附圖說(shuō)明

為了獲得本發(fā)明的上述和其他優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，以下將參照附圖中所示的本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)以上概述的本發(fā)明進(jìn)行更具體的說(shuō)明。應(yīng)理解的是，這些附圖僅示出了本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不應(yīng)被視為對(duì)本發(fā)明的范圍的限制，通過(guò)使用附圖，將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體和更詳細(xì)的說(shuō)明和闡述。在附圖中：

圖1是本發(fā)明的五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的立體示意圖。

圖2是本發(fā)明的五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)的示意圖。

圖3是本發(fā)明的五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)的示意圖。

圖4是本發(fā)明的五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)的裝載示意圖。

具體實(shí)施方式

以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實(shí)施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見(jiàn)的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實(shí)施方案、變形方案、改進(jìn)方案、等同方案以及沒(méi)有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。

如圖1至圖4所示，依本發(fā)明的發(fā)明精神提供一種五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)，該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)包括一個(gè)三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)1和一個(gè)兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)2，該兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)2設(shè)置在該三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)1的上部，且該兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)2和該三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)1相互串聯(lián)在一起，以形成該五自由度無(wú)源柔順對(duì)接機(jī)構(gòu)。

該三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)1包括一個(gè)底座托板4、一個(gè)球鉸支撐座6以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，該運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)一步包括一個(gè)保持架7、一組滾珠10、一個(gè)卡環(huán)5、一個(gè)中心軸擋板8、以及一個(gè)中心軸9，該中心軸9同時(shí)穿過(guò)該球鉸支撐座6的中心孔和該底座托板4的中心孔，該保持架7設(shè)置在該球鉸支撐座6和該底座托板4之間，且各個(gè)該滾珠10設(shè)置于該保持架7的內(nèi)部，以及由該保持架7使各個(gè)該滾珠10保持在該球鉸支撐座6和該底座托板4之間，該中心軸擋板8重疊地設(shè)置于該底座托板4，且該中心軸擋板8的中心孔也被該中心軸9穿過(guò)，該卡環(huán)5卡在該中心軸9的下端部，以防止該中心軸9滑脫。該運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)通過(guò)連接該底座托板4和該球鉸支撐座6來(lái)實(shí)現(xiàn)X方向的移動(dòng)、Y方向的移動(dòng)和繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)自由度的調(diào)整功能。可以理解的是，該三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)是通過(guò)該卡環(huán)5、該中心軸擋板8和該中心軸9進(jìn)行連接，以用于限制該三自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)。

該兩自由度自適應(yīng)調(diào)整平臺(tái)由該球鉸支撐座6和一個(gè)球鉸機(jī)構(gòu)組成，該球鉸機(jī)構(gòu)包括一個(gè)球鉸底座11、一組擋塊12、一組滾動(dòng)體13以及一個(gè)球冠體14，其中該球鉸底座11設(shè)置于該球鉸支撐座6的上部，該擋塊12設(shè)置于該球鉸底座11，該球冠體14設(shè)置于該球鉸底座11的安裝腔內(nèi)，且各個(gè)該滾動(dòng)體13分別相互間隔地設(shè)置在該球冠體14和該球鉸底座11之間。各個(gè)該滾動(dòng)體13和該球冠體14構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副以實(shí)現(xiàn)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)θx，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)θy兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整功能。

值得一提的是，該球鉸底座11、各個(gè)該滾動(dòng)體13和該球冠體14構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，該轉(zhuǎn)動(dòng)副為非完全轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且該球冠體14的中心位于該轉(zhuǎn)動(dòng)副的球心之下，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)模塊3進(jìn)行位姿自適應(yīng)調(diào)整。

以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但該內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。