19、空间机械臂雌雄同体工具快换机构及其不对中容差研究

空间机械臂雌雄同体工具快换机构及其不对中容差研究

1 引言

随着空间在轨任务日益复杂多样，一项在轨任务往往需要具备多种功能的空间机械臂来完成。传统的一个空间机械臂固定一个单一末端执行器的方案已无法满足实际需求。因此，多功能末端执行器技术对于完成多样化的空间任务具有重要意义，而构建工具快换机构就是解决方案之一。

工具快换机构技术需要满足机械和电气功能的可靠连接，并具备一定的不对中容差性能，以确保在工具切换过程中顺利对接。它能显著提高空间机械臂的使用效率，凭借高适应性大幅降低太空发射成本，实现现有设备的高效回收利用。目前，加拿大、日本、欧洲和美国等许多国家都为空间机械臂配备了工具快换机构。中国空间站于2022年成功建成，未来越来越多的空间任务，如在轨维护和组装等，都将需要空间机械臂来完成。所以，研究工具快换机构对我国航天产业的发展具有重大的科学、政治和经济意义。

现有的国内外工具快换机构主要配备在大型空间机械臂上。部分现有机构存在位置容差小、尺寸和重量大、结构复杂、易卡住、电气连接存在额外扭矩效应以及不对中容差小等问题，不适用于小型工具的对接，也不适合安装在卫星、航天器等基座上的小型空间机械臂。因此，为未来小型空间机械臂在轨维护开发了一种雌雄同体设计的工具快换机构，可用于对接和更换操作工具，实现空间机械臂的多功能化。

2 工具快换机构设计

2.1 机构设计输入

工具快换机构从功能特性上分为两部分：空间机械臂接口（主动接口）和工具接口（被动接口）。主动接口安装在机械臂末端关节上，工具接口连接到末端执行器、在轨可更换单元和各种协作目标负载。该工具快换机构适用于小型空间机械臂，这类机械臂通常安装在卫星、航天器和可重复使用的