一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置的制作方法

1.本发明涉及载人航天技术领域，尤其涉及一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置。


背景技术：

2.根据空间站航天员开展舱外维修任务的规划，航天员需要从出舱口的环形扶手，转移并将自身固定到机械臂上，以便通过机械转移至工作地点进行维修工作。在转移并固定到机械臂上(以下简称为“上臂”)的过程中，航天员会对机械臂产生一定的冲击。为提高机械臂的刚度，将少航天员对机械臂的冲击，需要在航天员上臂前，将机械臂上的舱外操作台与出舱口的环形扶手建立一定刚性的连接，在上臂后能立即解除连接。而且航天员在舱外操作时，需要一手握住环形扶手控制自身姿态，只能空出另一只手进行操作。因此，需要研制一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置，以满足航天员上臂的需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
5.一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置(以下简称为“辅助固定装置”)，包括底座组件和连接杆组件，所述底座组件包括支座和夹杆，安装在出舱口上的环形扶手上，提供固定的被动端，所述连接杆组件包括支架、展开臂、夹爪，安装在机械臂上的舱外操作台上，作为连接固定的主动端，所述底座组件与连接杆组件通过夹爪和夹杆实现连接，用于航天员在上下臂过程中，将机械臂上的舱外操作台与出舱口的环形扶手建立一定刚性的连接，从而减少航天员上臂过程中对机械臂的冲击。
6.优选地，所述支座通过螺钉固定在环形扶手支架上，所述夹杆安装在支座之间，所述夹杆截面为方型，与同为方型截面的夹爪配合，所述夹杆有一侧为齿状凹凸槽，用于与夹爪内的凹凸槽配合，在与夹杆插接时，实现轴向滑动自由度的锁定(局部放大图所图13所示)。
7.优选地，所述支架包括支架本体、可锁紧销轴、连接螺钉，所述支架本体通过连接螺钉安装在舱外操作台上的横梁减轻孔，螺接固定，所述可锁紧销轴包括支架固定齿端、展开臂活动齿端、中心轴、拨片螺母、固定架、中心螺钉，所述支架和展开臂相接触的端面设有细小的固定齿和活动齿，每一端面每隔一定的角度有一齿，延周向360
°
均布，用于实现所述支架和展开臂在周向转动自由度的锁定(局部放大图见图8)，所述中心轴作为展开臂在支架上的转动轴，由固定架与中心螺钉固定在支架本体上，实现展开臂的摆动，实现展开与收拢功能，所述拨片螺母位于展开臂下方，可拨动拨片螺母旋转90
°
，所述中心轴上设置有与拨片螺母连接的螺柱段，拨片螺母在螺柱段上周向转动时，拨片螺母延轴向上升或下降，从
而推动展开臂与支架之间的固定齿和活动齿实现啮合与分离，最终达到将展开臂在任意位置锁紧或解锁的功能，所述支架本体上刻有“松”、“紧”标识(不限于此标识)，用于提示航天员操作方向(图6)。
8.优选地，所述展开臂包括摆动杆、滚动杆、万向节、压块，所述滚动杆上设置有滚动杆末端方形块，所述摆动杆上设置有摆动杆方形槽，所述摆动杆通过可锁紧销轴与支架连接，在支架上进行展开与收拢动作，并通过可锁紧销轴锁定展开状态，所述滚动杆以转动轴的形式连接在摆动杆末端，通过滚动杆末端方形块与摆动杆方形槽间隙的实现滚动杆末端方形块在摆动杆方形槽内只能有几度之内的小角度的转动量，最终实现展开臂末端夹爪的u型爪滚动轴小角度的姿态调整，所述万向节通过销轴螺钉、销轴螺母与滚动杆、夹爪连接，通过间隙实现万向节在滚动杆上下方向几度之内的小角度的摆动，夹爪在万向节左右方向几度之内的小角度的摆动，最终实现展开臂末端夹爪的u型爪俯仰轴和偏航轴小角度的姿态调整，通过夹爪在滚动轴、俯仰轴和偏航轴这三个姿态角的灵活微调，便于夹爪与夹杆对齐，并进行插接。
9.优选地，所述夹爪包括u型爪、锁定开关，用于与夹杆进行插接与锁定，所述夹爪u型开口的截面为方型，与同为方型截面的夹杆配合，所述夹爪u型开口设有大倒角，与夹杆上的大圆角配合，所述锁定开关为空间站舱外维修工具常用的凸轮插销结构，所述锁定开关包括开关座、锁定销、开关拨片、转轴、弹簧，所述开关座通过螺栓安装在u型爪上，所述锁定销贯穿开关座并通过转轴与开关拨片连接，所述弹簧设置在锁定销的外部。
10.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
11.1、本技术中，连接杆组件利用现成的舱外操作台的减轻孔进行连接，无需对舱外操作台进行改造。
12.2、本技术中，连接杆组件在舱外操作台上进行展开与收拢，在不用时，可收拢在舱外操作台上，不但不影响航天员的后续其它维修操作，而且免去了装置使用后的收纳步骤，在需要用时，只需要进行展开，免去了装置使用前检索取出的步骤，方便使用。
13.3、本技术中，展开臂通过可锁紧销轴实现在180
°
范围内任意位置展开和锁定，不但能适应舱外操作台与环形扶手间的相对位置误差，而且能实现展开臂在任意位置的有效锁死，任意位置均能承载航天员上臂的冲击。
14.4、本技术中，夹爪通过滚动杆和万向节实现三个姿态角的小角度灵活微调，达到在夹爪和夹杆对插时，自动适应相对位置和角度的误差。
15.5、本技术中，夹爪和夹杆的通过方形截面，以及齿状凹凸槽配合，实现夹爪在夹杆上周向转动自由度的锁定以及轴向滑动自由度的锁定；同时，夹杆比夹爪长，在夹杆轴向方向，夹爪可在不同位置与夹杆进行插接锁定，此功能可适应男女航天员因不同身高导致上臂高度的不同的差别。
16.6、本技术中，整个操作过程，对接和锁定动作可分开进行，无需同时操作，满足航天员单手操作的需求。
17.7、本技术中，底座组件支座和夹杆的可扩展性，可满足不同机械臂上臂点的需求。
附图说明
18.图1示出了根据本发明实施例提供的空间站上航天员使用的示意图，其中，3为脚
限位器；4为机械臂；5为航天员；7为空间站舱体；
19.图2示出了根据本发明实施例提供的空间站上无航天员的示意图；
20.图3示出了根据本发明实施例提供的整体结构示意图；
21.图4示出了根据本发明实施例提供的底座组件结构示意图；
22.图5示出了根据本发明实施例提供的连接杆组件结构示意图；
23.图6示出了根据本发明实施例提供的支架结构示意图；
24.图7示出了根据本发明实施例提供的可锁紧销轴结构剖视图；
25.图8示出了根据本发明实施例提供的支架固定齿端、展开臂活动齿端配合放大图；
26.图9示出了根据本发明实施例提供的展开臂与夹爪结构示意图；
27.图10示出了根据本发明实施例提供的展开臂结构剖视图；
28.图11示出了根据本发明实施例提供的夹爪结构剖视图；
29.图12示出了根据本发明实施例提供的夹爪与底座的夹杆插接示意图；
30.图13示出了根据本发明实施例提供的夹爪与底座的夹杆插接局部放大示意图；
31.图14示出了根据本发明实施例提供的安装到舱外操作台上并处于收拢状态，可锁紧销轴拨片处于锁紧状态示意图；
32.图15示出了根据本发明实施例提供的展开臂处于收拢状态，可锁紧销轴拨片处于松开状态示意图；
33.图16示出了根据本发明实施例提供的展开臂处于展开过程状态，可锁紧销轴拨片处于松开状态，夹爪上锁定开关的开关拨片处于闭合状态示意图；
34.图17示出了根据本发明实施例提供的展开臂处于展开过程状态，可锁紧销轴拨片处于松开状态，夹爪上锁定开关的开关拨片处于开启状态示意图；
35.图18示出了根据本发明实施例提供的展开臂处于展开过程状态，可锁紧销轴拨片处于松开状态，夹爪与底座的夹杆处于插接状态，夹爪上锁定开关的开关拨片处于开启状态示意图；
36.图19示出了根据本发明实施例提供的展开臂处于展开过程状态，可锁紧销轴拨片处于松开状态，夹爪与底座的夹杆处于插接状态，夹爪上锁定开关的开关拨片处于闭合状态示意图；
37.图20示出了根据本发明实施例提供的展开臂处于展开到位状态，可锁紧销轴拨片处于锁紧状态，夹爪与底座的夹杆处于插接状态，夹爪上锁定开关的开关拨片处于闭合状态示意图。
38.图例说明：
39.1、辅助固定装置；2、舱外操作台；3、脚限位器；4、机械臂；5、航天员；6、环形扶手；7、空间站舱体；1-0、底座组件；2-0、连接杆组件；1-01、支座；1-02、夹杆；2-10、支架；2-20、展开臂；2-20-1、展开臂活动齿端；2-30、夹爪；2-11、支架本体；2-11-01、支架固定齿端；2-12-0、可锁紧销轴；2-13、连接螺钉；2-12-01、中心轴；2-12-02、拨片螺母；2-12-03、固定架；2-12-04、中心螺钉；2-21、摆动杆；2-22、滚动杆；2-23、万向节；2-24、压块；2-25、销轴螺钉；2-26、销轴螺母；2-31、u型爪；2-32-0、锁定开关；2-32-1、开关座；2-32-2、锁定销；2-32-3、开关拨片；2-32-4、转轴；2-32-5、弹簧。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
41.请参阅图1-20，本发明提供一种技术方案：
42.一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置(以下简称为“辅助固定装置1”)，包括底座组件1-0和连接杆组件2-0，底座组件1-0包括支座1-01和夹杆1-02，安装在出舱口上的环形扶手6上，提供固定的被动端，连接杆组件2-0包括支架2-10、展开臂2-20、夹爪2-30，支架2-10用于与舱外操作台2连接，展开臂2-20用于连接杆组件2-0的展开与收拢，夹爪2-30用于与底座组件1-0夹杆1-02的连接，安装在机械臂上的舱外操作台2上，作为连接固定的主动端，底座组件1-0与连接杆组件2-0通过夹爪2-30和夹杆1-02实现连接，用于航天员5在上下臂过程中，将机械臂4上的舱外操作台2与出舱口的环形扶手6建立一定刚性的连接，从而减少航天员5上臂过程中对机械臂4的冲击。
43.具体的，如图4所示，支座1-01通过螺钉(不限于螺钉)固定在环形扶手6支架上，夹杆1-02安装在支座1-01之间(本实例中为三支座1-01两夹杆1-02，提供机械臂4两个姿态的上臂需求，实际不限于具体数量，可按照上臂姿态需求，进行扩展，设置相应的支座1-01和夹杆1-02数量)，夹杆1-02截面为方型，与同为方型截面的夹爪2-30配合，实现夹爪2-30在夹杆1-02上周向转动自由度的锁定，夹杆1-02有一侧为齿状凹凸槽1-02-1，用于与夹爪2-30内的凹凸槽2-31-1配合，在与夹爪2-30插接时，实现轴向滑动自由度的锁定(图13)。
44.具体的，如图5所示，支架2-10包括支架本体2-11、可锁紧销轴2-12-0、连接螺钉2-13，支架本体2-11通过连接螺钉2-13安装在舱外操作台2上的横梁减轻孔，螺接固定，可锁紧销轴2-12-0包括支架固定齿端2-11-01、展开臂活动齿端2-20-1、中心轴2-12-01、拨片螺母2-12-02、固定架2-12-03、中心螺钉2-12-04，支架2-10和展开臂2-20相接触的端面设有细小的固定齿和活动齿，每一端面每隔一定的角度有一齿，延周向360
°
均布，用于实现支架2-10和展开臂2-20在周向转动自由度的锁定(局部放大图见图8)，中心轴2-12-01作为展开臂2-20在支架2-10上的转动轴，由固定架2-12-03与中心螺钉2-12-04固定在支架本体2-11上，实现展开臂2-20的摆动，实现展开与收拢功能，拨片螺母2-12-02位于展开臂2-20下方，可拨动拨片螺母2-12-02旋转90
°
，中心轴2-12-01上设置有与拨片螺母2-12-02连接的螺柱段，拨片螺母2-12-02在中心轴2-12-01上周向转动时，拨片螺母2-12-02延轴向上升或下降，从而推动展开臂2-20与支架2-10之间的固定齿2-11-01和活动齿2-20-1，实现啮合与分离，最终达到将展开臂2-20在任意位置锁紧或解锁的功能，所述支架本体2-11上刻有“松”、“紧”标识(不限于此标识)，用于提示航天员操作方向(图6)。
45.具体的，如图9和图10所示，展开臂2-20包括摆动杆2-21、滚动杆2-22、万向节2-23、压块2-24，滚动杆2-22上设置有滚动杆末端方形块2-22-1，摆动杆2-21上设置有摆动杆方形槽2-21-1，摆动杆2-21通过可锁紧销轴2-12-0与支架2-10连接，在支架2-10上进行展开与收拢动作，并通过可锁紧销轴2-12-0锁定展开状态，滚动杆2-22以转动轴的形式连接在摆动杆2-21末端，通过滚动杆末端方形块2-22-1与摆动杆方形槽2-21-1间隙的实现滚动杆末端方形块2-22-1在摆动杆方形槽2-21-1内只能有几度之内的小角度的转动量，最终实
现展开臂2-20末端夹爪的u型爪2-31滚动轴小角度的姿态调整，万向节2-23通过销轴螺钉2-25、销轴螺母2-26与滚动杆2-22、夹爪2-30连接，通过间隙实现万向节2-23在滚动杆2-22上下方向几度之内的小角度的摆动，夹爪2-30在万向节2-23左右方向几度之内的小角度的摆动，最终实现展开臂2-20末端夹爪的u型爪2-31俯仰轴和偏航轴小角度的姿态调整，通过夹爪2-30在滚动轴、俯仰轴和偏航轴这三个姿态角的灵活微调，便于夹爪2-30与夹杆1-02对齐，并进行插接。
46.具体的，如图9和图10所示，夹爪2-30包括u型爪2-31、锁定开关2-32-0，用于与夹杆1-02进行插接与锁定，夹爪2-30u型开口的截面为方型，与同为方型截面的夹杆1-02配合，夹爪2-30u型开口设有大倒角，与夹杆1-02上的大圆角配合，在与夹杆1-02插接时，实现轴向滑动自由度的锁定(如图12所示，局部放大图如图13所示)，锁定开关2-32-0为空间站舱外维修工具常用的凸轮插销结构，锁定开关2-32-0包括开关座2-32-1、锁定销2-32-2、开关拨片2-32-3、转轴2-32-4、弹簧2-32-5，开关座2-32-1通过螺栓安装在u型爪2-31上，锁定销2-32-2贯穿开关座2-32-1并通过转轴2-32-4与开关拨片2-32-3连接，弹簧2-32-5设置在锁定销2-32-2的外部，在对夹杆1-02插入夹爪2-31后，闭合开关拨片2-32-3，锁定销2-32-2伸出，将夹杆1-02卡住，防止夹杆1-02从u型夹爪2-31内脱出，实现锁定。
47.以下通过全流程任务剖面对本装置进行详细说明：
48.一、发射上行阶段
49.底座组件1-0在地面上安装到环形扶手6上，通过支座1-01与环形扶手6支架连接，如图1、图2、所示，随舱体发射上行。
50.连接杆组件2-0放置于舱间工具货包内，随舱体发射上行。
51.二、出舱前准备阶段
52.连接杆组件2-0在出舱前，支架本体2-11使用连接螺钉2-13安装在舱外操作台2载物组件的横梁减轻孔处，将展开臂2-20设置为收拢状态。如图14所示。
53.三、出舱使用阶段
54.舱天员5上臂前，需要将辅助固定装置的连接杆组件2-0与底座组件1-0进行连接；上臂后，需要将连接杆组件2-0与底座组件1-0进行分离。舱天员下臂前，需要将连接杆组件2-0与底座组件1-0进行连接；下臂后，需要将连接杆组件2-0与底座组件1-0进行分离。共需要拆装四次，以下分别就单次具体拆装操作进行叙述。
55.1.连接杆组件2-0与底座组件1-0连接
56.1)拨动可锁紧销轴拨片2-12-02转动90
°
，与支架2-10为垂直，处于松开状态，如图15所示。
57.2)将展开臂2-20转动展开，使夹爪末端u型爪2-31接近底座组件的夹杆1-02，如图16所示。
58.3)拨动夹爪上锁定开关的开关拨片2-32-3转动90
°
，与夹爪垂直，处于开启状态，如图17所示。
59.4)调整夹爪2-31末端的姿态，将夹爪2-31插入底座上的夹杆1-02，如图18所示。
60.5)拨动夹爪上锁定开关的开关拨片2-32-3转动90
°
，处于闭合状态，如图19所示。
61.6)拨动可锁紧销轴拨片2-12-02转动90
°
，与支架为平行，处于锁紧状态，如图20所示。
62.整体连接到位状态，夹爪2-31与夹杆1-02为贴合状态，锁定开关拨片2-32-3为闭合状态，可锁紧销轴拨片2-12-02为锁紧状态。
63.2.连接杆组件2-0与底座组件1-0分离
64.连接杆组件2-0与底座组件1-0分离过程为以上操作的逆过程，不再赘述，最终分离并收拢到位状态。
65.实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置，其特征在于，包括底座组件（1-0）和连接杆组件（2-0），所述底座组件（1-0）包括支座（1-01）和夹杆（1-02），安装在出舱口上的环形扶手（6）上，提供固定的被动端，所述连接杆组件（2-0）包括支架（2-10）、展开臂（2-20）、夹爪（2-30），安装在机械臂上的舱外操作台（2）上，作为连接固定的主动端，所述底座组件（1-0）与连接杆组件（2-0）通过夹爪（2-30）和夹杆（1-02）实现连接。2.根据权利要求1所述的一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置，其特征在于，所述支座（1-01）通过螺钉固定在环形扶手（6）支架上，所述夹杆（1-02）安装在支座（1-01）之间，所述夹杆（1-02）截面为方型，与同为方型截面的夹爪（2-30）配合，所述夹杆（1-02）有一侧为齿状凹凸槽（1-02-1），用于与夹爪（2-30）内的凹凸槽（2-31-1）配合。3.根据权利要求1所述的一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置，其特征在于，所述支架（2-10）包括支架本体（2-11）、可锁紧销轴（2-12-0）、连接螺钉（2-13），所述支架本体（2-11）通过连接螺钉（2-13）安装在舱外操作台（2）上的横梁减轻孔，螺接固定，所述可锁紧销轴（2-12-0）包括支架固定齿端（2-11-01）、展开臂活动齿端（2-20-1）、中心轴（2-12-01）、拨片螺母（2-12-02）、固定架（2-12-03）、中心螺钉（2-12-04），所述支架（2-10）和展开臂（2-20）相接触的端面设有细小的固定齿和活动齿，每一端面每隔一定的角度有一齿，延周向360
°
均布，所述中心轴（2-12-01）作为展开臂（2-20）在支架（2-10）上的转动轴，由固定架（2-12-03）与中心螺钉（2-12-04）固定在支架本体（2-11）上，所述拨片螺母（2-12-02）位于展开臂（2-20）下方，可拨动拨片螺母（2-12-02）旋转90
°
，所述中心轴（2-12-01）上设置有与拨片螺母（2-12-02）连接的螺柱段。4.根据权利要求1所述的一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置，其特征在于，所述展开臂（2-20）包括摆动杆（2-21）、滚动杆（2-22）、万向节（2-23）、压块（2-24），所述滚动杆（2-22）上设置有滚动杆末端方形块（2-22-1），所述摆动杆（2-21）上设置有摆动杆方形槽（2-21-1），所述摆动杆（2-21）通过可锁紧销轴（2-12-0）与支架（2-10）连接，在支架（2-10）上进行展开与收拢动作，并通过可锁紧销轴（2-12-0）锁定展开状态，所述滚动杆（2-22）以转动轴的形式连接在摆动杆（2-21）末端，通过滚动杆末端方形块（2-22-1）与摆动杆方形槽（2-21-1）间隙的实现滚动杆末端方形块（2-22-1）在摆动杆方形槽（2-21-1）内只能有几度之内的小角度的转动量，所述万向节（2-23）通过销轴螺钉（2-25）、销轴螺母（2-26）与滚动杆（2-22）、夹爪（2-30）连接，通过间隙实现万向节（2-23）在滚动杆（2-22）上下方向几度之内的小角度的摆动，夹爪（2-30）在万向节（2-23）左右方向几度之内的小角度的摆动。5.根据权利要求1所述的一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置，其特征在于，所述夹爪（2-30）包括u型爪（2-31）、锁定开关（2-32-0），所述夹爪（2-30）u型开口的截面为方型，与同为方型截面的夹杆（1-02）配合，所述夹爪（2-30）u型开口设有大倒角，与夹杆（1-02）上的大圆角配合，所述锁定开关（2-32-0）为空间站舱外维修工具常用的凸轮插销结构，所述锁定开关（2-32-0）包括开关座（2-32-1）、锁定销（2-32-2）、开关拨片（2-32-3）、转轴（2-32-4）、弹簧（2-32-5），所述开关座（2-32-1）通过螺栓安装在u型爪（2-31）上，所述锁定销（2-32-2）贯穿开关座（2-32-1）并通过转轴（2-32-4）与开关拨片（2-32-3）连接，所述弹簧（2-32-5）设置在锁定销（2-32-2）的外部。

技术总结
本发明公开了一种航天员在舱外单手操作的空间站机械臂辅助固定装置，包括底座组件和连接杆组件，所述底座组件包括支座和夹杆，安装在出舱口上的环形扶手上，提供固定的被动端，所述连接杆组件包括支架、展开臂、夹爪，安装在机械臂上的舱外操作台上，作为连接固定的主动端，所述底座组件与连接杆组件通过夹爪和夹杆实现连接。本发明中，连接杆组件在舱外操作台上进行展开与收拢，在不用时，可收拢在舱外操作台上，不但不影响航天员的后续其它维修操作，而且免去了装置使用后的收纳步骤，在需要用时，只需要进行展开，免去了装置使用前检索取出的步骤，方便使用。方便使用。方便使用。


技术研发人员：郭涛 唐赖颖 傅浩 范子琦 武婷婷 于洋 王哲 刘俊良 马勇利
受保护的技术使用者：北京卫星环境工程研究所
技术研发日：2022.12.21
技术公布日：2023/5/30