适应空间在轨精细操作的多功能旋拧装置和旋拧方法

技术领域

本发明属于空间在轨服务技术领域，涉及一种空间在轨维护维修的操作工具，具体是指适应空间在轨精细操作的多功能旋拧装置和旋拧方法。

背景技术

空间在轨服务技术是当今世界各国竞相竞争的高地，也是衡量一个国家综合国力的重要标志。空间操控是空间在轨服务技术的重要能力，因其能代替人类完成空间站的组装、装配与维护维修、轨道垃圾清理、太空资产维护，以及抓捕、释放、回收卫星等高度复杂的任务，所以对其技术的研究与开发一直是航天科技强国关注的热点。

空间操控任务中，对目标的复杂精细操作能力要求非常高。因此，开发精细操作能力是空间操控的关键。作为精细操作的典型代表，旋拧任务是必不可少的。开发通用的可适应精细操作的多功能旋拧工具技术已然迫在眉睫，是未来提升在轨操控和在轨服务技术的核心能力。

发明内容

本发明为了解决在空间操控任务中，实现捕获的同时，如何传递扭矩，实现旋拧任务的问题；进而提供一种适应空间在轨精细操作的多功能旋拧装置和旋拧方法。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

适应空间在轨精细操作的多功能旋拧装置，包括旋转支撑外壳、夹爪机构、驱动与传动机构和离合器机构；

所述的旋转支撑外壳包括由上至下同轴依次连接的夹爪支撑壳体、阶梯法兰、离合器支撑壳体和轴系支撑壳体；所述的夹爪支撑壳体与阶梯法兰固定连接；所述的阶梯法兰部分插在离合器支撑壳体内并与离合器支撑壳体转动连接，所述的离合器支撑壳体和轴系支撑壳体固定连接；

所述夹爪机构的爪端处于夹爪支撑壳体的上方，夹爪机构的动力输入端处于阶梯法兰与夹爪支撑壳体所形成的容置腔内；

所述驱动与传动机构包括电机、旋转轴和动力输出件，所述的电机安装在轴系支撑壳体内，所述旋转轴的底端与电机的动力输出端固定连接，并转动安装在轴系支撑壳体上，所述旋转轴的上端依次穿过离合器支撑壳体和阶梯法兰并转动安装在夹爪支撑壳体上；所述的动力输出件安装在旋转轴上，并与夹爪组件的动力输入端连接，驱动夹爪组件实现张开或闭合动作；

所述的离合器机构为环形结构，并安装在阶梯法兰与离合器支撑壳体所形成的环形安装槽内；离合器机构包括离合器壳体、离合器线圈、压缩弹簧、离合器固定摩擦盘、离合器转动摩擦盘、制动器转动摩擦盘和限位法兰盘；所述离合器壳体的下环面开有一圈凹槽，离合器线圈处于凹槽内；所述的离合器壳体和离合器转动摩擦盘由上至下依次套在阶梯法兰的下段上，离合器壳体与阶梯法兰之间形成一个环形槽，所述的压缩弹簧套在阶梯法兰上并处于环形槽内，压缩弹簧的一端抵接在阶梯法兰的台阶面上，压缩弹簧的另一端抵接在离合器转动摩擦盘上；所述的离合器转动摩擦盘与阶梯法兰的外环壁之间为键连接并可轴向移动，所述的限位法兰盘套在旋转轴上，并与阶梯法兰的底端面固定连接，用于离合器转动摩擦盘上下移动的限位；所述的制动器转动摩擦盘套装在旋转轴上，并与旋转轴的轴肩固定连接；所述的离合器固定摩擦盘套装在离合器壳体上，并固定安装在离合器支撑壳体内环壁的轴肩上；离合器固定摩擦盘的下环面和离合器转动摩擦盘上环面的接触面分别为摩擦面，通过二者摩擦面的接触实现制动；所述离合器转动摩擦盘的下环面与制动器转动摩擦盘上环面的接触面分别为摩擦面，通过二者摩擦面的接触实现制动。

优选地，所述的夹爪机构包括多个夹爪组件，多个所述的夹爪组件周向均匀设置，并径向滑动连接在夹爪支撑壳体上。

优选地，所述的夹爪支撑壳体上周向开有若干个贯穿于上下表面的滑槽Ⅰ，每个滑槽Ⅰ的滑动方向与夹爪支撑壳体的径向方向保持一致，且每个滑槽Ⅰ内滑动连接一个夹爪组件。

优选地，每个夹爪组件包括一个夹爪、一个夹爪滑动底座和夹爪驱动底座，所述的夹爪固定安装在夹爪滑动底座上，并处于夹爪支撑壳体的上方；所述的夹爪滑动底座滑动连接在夹爪支撑壳体的滑槽Ⅰ内；所述的夹爪驱动底座为楔形，夹爪驱动底座的楔形面为被驱动面，夹爪驱动底座的顶端面与夹爪滑动底座的下端面固定连接，并处于阶梯法兰与夹爪支撑壳体所形成的容置腔内；

所述的驱动与传动机构为丝杠螺母副，旋转轴为丝杠轴，动力输出件为圆台形的丝杠螺母，所述的丝杠螺母螺接在丝杠轴上，丝杠螺母的外壁上周向开有若干个滑槽Ⅱ，滑槽Ⅱ的滑动方向与丝杠螺母的坡面方向相同；所述的夹爪驱动底座处于滑槽Ⅱ内，并与丝杠螺母滑动连接。

优选地，所述的动力输出件为圆环形的驱动盘，驱动盘的上环面开有螺纹，且驱动盘的内环壁与旋转轴采用键连接；

每个夹爪组件包括一个夹爪和一个夹爪滑动底座，所述的夹爪固定安装在夹爪滑动底座的上表面处，并处于夹爪支撑壳体的上方；所述的夹爪滑动底座滑动连接在夹爪支撑壳体的滑槽Ⅰ内，夹爪滑动底座的下表面开有螺纹，并与驱动盘上表面的螺纹相咬合，实现夹爪滑动底座沿着夹爪支撑壳体径向方向的移动。

优选地，所述驱动盘的上环面上开有一个同心的环形安装槽；

所述夹爪支撑壳体的下表面同轴设置一个安装套筒，安装套筒插在驱动盘的环形安装槽内，并与环形安装槽转动连接。

优选地，所述离合器转动摩擦盘的上环面同轴设置有一圈环形凸起Ⅰ，环形凸起Ⅰ与离合器固定摩擦盘相对设置，且环形凸起Ⅰ的上端面为摩擦面；离合器转动摩擦盘的下环面同轴设置有一圈环形凸起Ⅱ，环形凸起Ⅱ的下端面为摩擦面；

所述制动器转动摩擦盘的上环面同轴设置有一圈环形凸起Ⅲ，环形凸起Ⅲ与环形凸起Ⅱ相对设置，且环形凸起Ⅲ的上端面为摩擦面。

优选地，所述的电机为直流无刷电机，直流无刷电机包括电机转子轴、电机转子磁钢固定法兰、电机转子磁钢、电机定子线圈和电机轴向挡环；所述的电机转子轴、电机转子磁钢固定法兰、电机转子磁钢和电机定子线圈由内至外依次设置，所述的电机转子轴与电机转子磁钢固定法兰键连接，所述的电机转子磁钢通过胶粘的方式与电机转子磁钢固定法兰固连；所述的电机定子线圈通过电机轴向挡环轴向支撑在轴系支撑壳体内，并与轴系支撑壳体的内环壁键连接；所述旋转轴的底端与电机转子轴键连接。

优选地，所述的旋拧装置还包括传感器、控制器、驱动器和机械臂接口；所述的传感器、控制器、驱动器和机械臂接口同轴依次安装，并通过传感器固定连接在旋转支撑外壳的底部；

所述的传感器包括由上至下依次设置的磁环固定板、磁环、角位置传感器处理电路板和角位置传感器固定支架；所述的磁环固定板固定连接在电机转子轴的下端面上，磁环固定在磁环固定板上，角位置传感器处理电路板与角位置传感器固定支架固定连接，角位置传感器固定支架安装在轴系支撑壳体的下端口处并将轴系支撑壳体的下端口密封；

所述的控制器包括控制板支架和控制板，所述的控制板支架固定安装在角位置传感器固定支架的下表面处，控制板与控制板支架固定连接；

所述的驱动器包括驱动板和驱动板支架，所述的驱动板支架固定安装在控制板支架的下表面处，驱动板固定安装在驱动板支架上；

所述的机械臂接口包括由上至下依次设置的基座法兰、防护盖和更换接口，以及绝缘垫和电连接器；所述的基座法兰安装在驱动板支架的下表面处，防护盖设置在基座法兰的下方，且二者之间的边缘处留有缝隙，并通过绝缘垫进行密封；所述的更换接口安装在防护盖上，电连接器安装在更换接口的一侧。

适应空间在轨精细操作的多功能旋拧方法，具体操作过程如下：

S1，空间目标捕获阶段：

离合器机构中的离合器线圈通电，产生的电磁吸合力将离合器转动摩擦盘吸合，从而使得离合器转动摩擦盘在电磁吸合力的作用下，沿着阶梯法兰的轴线方向并克服压缩弹簧的弹力向上移动，离合器固定摩擦盘的摩擦面与离合器转动摩擦盘的摩擦面贴合并产生一定的压力，离合器转动摩擦盘保持固定不动，此时压缩弹簧处于压缩状态并存储一定的预紧力；驱动与传动机构中的电机提供动力，旋转轴绕自身的中轴线进行旋转，由于制动器转动摩擦盘和离合器转动摩擦盘的摩擦面脱离，仅制动器转动摩擦盘随旋转轴一起做旋转运动，夹爪机构在周向上和轴向上是固定不动的，动力输出件在旋转轴的带动下对夹爪机构的动力输入端产生作用力，使得爪端所形成的抓捕口径逐渐减小，进而实现夹爪机构对空间目标的抓取。

S2，空间目标的旋拧阶段：

离合器机构中的离合器线圈断电，电磁吸合力消失，离合器转动摩擦盘在压缩弹簧的预紧力作用下沿着阶梯法兰的轴线方向向下移动，离合器转动摩擦盘的摩擦面和制动器转动摩擦盘的摩擦面贴合并产生一定的压力；驱动与传动机构中的直流无刷电机提供动力，旋转轴绕自身的中轴线进行旋转，制动器转动摩擦盘随旋转轴一起做旋转运动，离合器转动摩擦盘在制动器转动摩擦盘摩擦力的作用下，带动阶梯法兰一起做旋转运动，阶梯法兰将旋转的扭矩依次传递给夹爪支撑壳体和夹爪机构，夹爪机构随着旋转轴一起做旋转运动，由于夹爪机构与驱动与传动机构中的动力输出件一起做同步的旋转运动，故动力输出件不会对夹爪机构的动力输入端产生驱动力，夹爪机构的抓捕口径不会发生改变；夹爪机构的旋转实现对操作目标的旋拧。

S3，空间目标释放阶段：

离合器机构中的离合器线圈通电，产生的电磁吸合力将离合器转动摩擦盘吸合，从而使得离合器转动摩擦盘在电磁吸合力的作用下，沿着阶梯法兰的轴线方向并克服压缩弹簧的弹力向上移动，离合器固定摩擦盘的摩擦面与离合器转动摩擦盘的摩擦面贴合并产生一定的压力，离合器转动摩擦盘保持固定不动，此时压缩弹簧处于压缩状态并存储一定的预紧力；驱动与传动机构中的电机提供动力，旋转轴绕自身的中轴线进行反向旋转，由于制动器转动摩擦盘和离合器转动摩擦盘的摩擦面脱离，仅制动器转动摩擦盘随旋转轴一起做反向旋转运动，夹爪机构在周向上和轴向上是固定不动的，动力输出件在旋转轴的带动下对夹爪机构的动力输入端产生作用力，使得爪端所形成的抓捕口径逐渐增加，进而实现夹爪机构对空间目标的释放。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本申请在旋转支撑外壳、夹爪机构、驱动与传动机构和离合器机构的协同作用下实现了对空间目标的捕获、旋拧与释放动作，完成空间操作任务。

2、本申请对空间目标的捕获、旋拧与释放动作，仅通过一个直流无刷电机完成，减小了装置的整体体积与重量；同时本申请采用体积与质量较小的离合器机构，利用电磁离合器的吸合力，使得离合器转动摩擦盘具备上下移动的自由度，并利用离合器转动摩擦盘与离合器固定摩擦盘之间的摩擦力和与制动器转动摩擦盘之间的摩擦力，使得夹爪机构中的夹爪完成了平面移动以及旋转两个自由度的动作；整个装置具备自由度少、功耗低和控制简单的效果。

3、本申请的驱动与传动机构采用梯形丝杠螺母传动或者驱动盘与夹爪滑动底座之间的螺纹传动，可以实现自锁，无需额外的制动器组件，重量小，可靠性高。

4、本申请采用了模块化机电接口，具备和空间机器人或空间机械臂的对接能力，具备在轨更换的能力，极大地拓展了在轨精细操作的应用范围。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。

图1为本发明旋拧装置的轴测图。

图2为本发明旋拧装置的俯视图。

图3为实施例1的图2中A-A处的剖视图。

图4为图2中B-B处的剖视图。

图5为实施例1中旋转支撑外壳的结构示意图。

图6为实施例1中夹爪支撑壳体的结构示意图。

图7为实施例1中夹爪机构的结构示意图。

图8为离合器机构与阶梯法兰相配合的结构示意图。

图9为离合器壳体的结构示意图。

图10为实施例2的轴向剖视图一。

图11为实施例2的轴向剖视图二。

图12为实施例2中夹爪支撑壳体的结构示意图。

图13为实施例2中驱动盘的结构示意图。

图14为实施例2中夹爪组件的结构示意图。

附图标记说明：A-旋转支撑外壳；B-夹爪机构；C-驱动与传动机构；D-离合器机构；E-传感器；F-控制器；J-驱动器；H-机械臂接口；

1-夹爪支撑壳体；2-阶梯法兰；3-离合器支撑壳体；4-轴系支撑壳体；5-第一轴承组件；6-夹爪组件；7-直流无刷电机；8-丝杠轴；9-丝杠螺母；10-第二轴承组件；11-第三轴承组件；12-第四轴承组件；13-离合器壳体；14-离合器线圈；15-压缩弹簧；16-离合器固定摩擦盘；17-离合器转动摩擦盘；18-制动器转动摩擦盘；19-限位法兰盘；20-磁环固定板；21-磁环；22-角位置传感器处理电路板；23-角位置传感器固定支架；24-控制板支架；25-控制板；26-驱动板；27-驱动板支架；28-基座法兰；29-防护盖；30-更换接口；31-绝缘垫；32-电连接器；33-旋转轴；34-驱动盘；35-第五轴承组件；

101-滑槽Ⅰ；102-中心通孔；103-安装套筒；501-轴承内密封环；502-轴承外密封环；503-轴承；601-夹爪；602-夹爪滑动底座；603-夹爪驱动底座；701-电机转子轴；702-电机转子磁钢固定法兰；703-电机转子磁钢；704-电机定子线圈；705-电机轴向挡环；901-滑槽Ⅱ；1001-轴承座；1002-角接触球轴承；1003-轴承内隔圈Ⅰ；1004-轴承外隔圈Ⅰ；1005-轴承外锁紧螺母；1006-轴承内锁紧螺母；1101-轴承Ⅰ；1102-轴承内隔圈Ⅱ；1103-轴承外隔圈Ⅱ；1104-轴承锁紧螺母Ⅰ；1201-深沟球轴承；1202-轴承隔圈；1203-轴承锁紧螺母Ⅱ；1301-凹槽；1302-环形槽；1701-环形凸起Ⅰ；1702-环形凸起Ⅱ；1801-环形凸起Ⅲ；3401-环形安装槽；3501-轴承内隔圈Ⅲ；3502-轴承外隔圈Ⅲ；3503-轴承锁紧螺母Ⅲ；3504-轴承Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本申请为了解决在空间操控任务中，实现目标捕获的同时，如何传递扭矩，实现旋拧任务；由于本申请存在两种驱动方式，故本申请通过两个装置的实施例和对应的两个方法的实施例分别进行说明。

实施例1：

参见图1至图9，本实施例提供一种适应空间在轨精细操作的多功能旋拧装置，其包括旋转支撑外壳A、夹爪机构B、驱动与传动机构C、离合器机构D、传感器E、控制器F、驱动器J和机械臂接口H；所述的夹爪机构B安装在旋转支撑外壳A上，夹爪机构B的动力输入端处于旋转支撑外壳A内，夹爪机构B的爪端处于旋转支撑外壳A的顶部；所述的驱动与传动机构C安装在旋转支撑外壳A内，驱动与传动机构C的动力输出端与夹爪机构B的动力输入端连接，并实现夹爪机构B中夹爪的张开和闭合，进而实现对操作目标的释放和夹紧；所述的离合器机构D安装在旋转支撑外壳A内并在驱动与传动机构C的作用下协同旋转支撑外壳A驱动夹爪机构B旋转，实现对操作目标的旋拧；所述的传感器E、控制器F、驱动器J和机械臂接口H同轴依次安装，并通过传感器E固定连接在旋转支撑外壳A的底部。

参见图5，所述的旋转支撑外壳A包括由上至下同轴依次连接的夹爪支撑壳体1、阶梯法兰2、离合器支撑壳体3和轴系支撑壳体4；所述的夹爪支撑壳体1与阶梯法兰2通过螺钉固定连接；所述的阶梯法兰2部分插在离合器支撑壳体3内并与离合器支撑壳体3转动连接，所述的离合器支撑壳体3和轴系支撑壳体4通过螺钉固定连接。

进一步的，参见图6，所述的夹爪支撑壳体1用于支撑夹爪机构B，并传递旋转的扭矩；所述夹爪支撑壳体1的顶部周向开有若干个贯穿于上下表面的滑槽Ⅰ101，每个滑槽Ⅰ101的滑动方向与夹爪支撑壳体1的径向方向保持一致，且每个滑槽Ⅰ101内滑动连接一个夹爪。

进一步的，参见图3和图4，所述的阶梯法兰2即用于传递驱动与传动机构C输出的扭矩，又用于支撑驱动与传动机构C中的传动副；所述阶梯法兰2的轴向单侧截面为阶梯状，阶梯法兰2的内环壁与夹爪支撑壳体1的内环壁之间形成容置腔，驱动与传动机构C的动力输出端处于容置腔内；阶梯法兰2的外环壁与离合器支撑壳体3的内环壁之间形成上下两圈环形安装槽，处于上方的安装槽内设置有第一轴承组件5，用于阶梯法兰2与离合器支撑壳体3的转动连接，其中阶梯法兰2与离合器支撑壳体3相对应的端面之间留有一定的间隙，防止阶梯法兰2与离合器支撑壳体3由于外力作用导致二者之间传递扭矩；所述的离合器机构D处于下方的安装槽内，离合器机构D套装在阶梯法兰2外的同时，还与离合器支撑壳体3固定连接。

更进一步的，参见图5，所述的第一轴承组件5包括轴承内密封环501、轴承外密封环502和轴承503，所述的轴承503通过上下相对设置的轴承内密封环501和轴承外密封环502安装在安装槽内，其中轴承内密封环501抵接在轴承503内圈的上端面上，轴承外密封环502抵接在轴承503外圈的下端面上，阶梯法兰2与轴承503的内圈相抵接，离合器支撑壳体3与轴承503的外圈相抵接。

进一步的，所述的轴系支撑壳体4与传感器E形成一个安装腔，所述驱动与传动机构C的动力输入端处于此安装腔内。

本实施例中，旋转支撑外壳A一方面作为旋拧装置的支撑壳体，另一方面用来传递旋转的扭矩，实现夹爪机构B的旋转动作。

参见图7，所述的夹爪机构B包括多个夹爪组件6，优选为三个，三个夹爪组件6周向均匀设置，并分别滑动连接在夹爪支撑壳体1上。

进一步的，每个夹爪组件6包括一个夹爪601、一个夹爪滑动底座602和夹爪驱动底座603，所述的夹爪601固定安装在夹爪滑动底座602上，并处于夹爪支撑壳体1的上方；所述的夹爪滑动底座602为长方体，夹爪滑动底座602滑动连接在夹爪支撑壳体1的滑槽Ⅰ101内；所述的夹爪驱动底座603为楔形，夹爪驱动底座603的楔形面为被驱动面，夹爪驱动底座603的顶端面与夹爪滑动底座602的下端面固定连接，并处于阶梯法兰2与夹爪支撑壳体1所形成的容置腔内，所述夹爪驱动底座603的楔形面与驱动与传动机构C的动力输出端滑动连接，并在驱动与传动机构C的驱动下径向移动。

本实施例中，在抓捕空间目标时，驱动与传动机构C同时带动三个夹爪驱动底座603沿着夹爪支撑壳体1的径向方向向内移动，夹爪驱动底座603依次带动夹爪滑动底座602和夹爪601向内聚拢，三个夹爪601之间所形成的捕获口径逐渐减小，实现夹爪机构B的闭合动作；反之，驱动与传动机构C同时带动三个夹爪驱动底座603沿着夹爪支撑壳体1的径向方向向外移动，夹爪驱动底座603依次带动夹爪滑动底座602和夹爪601向外扩张，三个夹爪601之间所形成的捕获口径逐渐增加，实现夹爪机构B的张开动作。

参见图4，所述的驱动与传动机构C包括直流无刷电机7、丝杠轴8和丝杠螺母9，所述的直流无刷电机7安装在轴系支撑壳体4内，所述丝杠轴8的底端与直流无刷电机7的动力输出端固定连接，并通过第二轴承组件10转动安装在轴系支撑壳体4上，所述丝杠轴8的上端依次穿过离合器支撑壳体3和阶梯法兰2并通过第三轴承组件11转动安装在夹爪支撑壳体1上；所述丝杠轴8的中间段通过第四轴承组件12与阶梯法兰2转动连接；所述的丝杠螺母9螺接在丝杠轴8上，并与夹爪驱动底座603滑动连接。

进一步的，参见图4，所述的直流无刷电机7包括电机转子轴701、电机转子磁钢固定法兰702、电机转子磁钢703、电机定子线圈704和电机轴向挡环705；所述的电机转子轴701、电机转子磁钢固定法兰702、电机转子磁钢703和电机定子线圈704由内至外依次设置，所述的电机转子轴701与电机转子磁钢固定法兰702键连接，所述的电机转子磁钢703通过胶粘的方式与电机转子磁钢固定法兰702固连；所述的电机定子线圈704通过电机轴向挡环705轴向支撑在轴系支撑壳体4与传感器E所形成的安装腔内，并与轴系支撑壳体4的内环壁键连接；所述丝杠轴8的底端与电机转子轴701键连接。

进一步的，参见图7，所述的丝杠螺母9为圆台形，丝杠螺母9的外壁上周向开有若干个滑槽Ⅱ901，滑槽Ⅱ901的滑动方向与丝杠螺母9的坡面方向相同；所述的夹爪驱动底座603处于滑槽Ⅱ901内，并与丝杠螺母9滑动连接。

进一步的，参见图4，所述的第二轴承组件10包括轴承座1001、两个角接触球轴承1002、轴承内隔圈Ⅰ1003、轴承外隔圈Ⅰ1004、轴承外锁紧螺母1005和轴承内锁紧螺母1006；所述的轴承座1001通过螺钉固定安装在轴系支撑壳体4上，两个所述的角接触球轴承1002同轴套装在丝杠轴8的下端，并设置在轴承座1001内；两个所述的角接触球轴承1002通过二者之间的轴承内隔圈Ⅰ1003和轴承外隔圈Ⅰ1004进行分隔；所述的轴承外锁紧螺母1005螺接在轴承座1001底部的内螺纹上，并抵接在处于下方的角接触球轴承1002的外圈上；所述轴承内锁紧螺母1006螺接在丝杠轴8上，并抵接在处于下方的角接触球轴承1002的内圈上；其中，处于上方的角接触球轴承1002的外圈通过轴承座1001顶部的轴肩进行固定，处于上方的角接触球轴承1002的内圈通过丝杠轴8上的轴肩进行固定。

进一步的，参见图4，所述的第三轴承组件11包括轴承Ⅰ1101、轴承内隔圈Ⅱ1102、轴承外隔圈Ⅱ1103和轴承锁紧螺母Ⅰ1104，所述的轴承Ⅰ1101套装在丝杠轴8的上端，并通过轴承内隔圈Ⅱ1102支撑在丝杠轴8的轴肩上；所述的轴承外隔圈Ⅱ1103套在丝杠轴8上，并抵接在轴承Ⅰ1101的外圈上，所述的轴承锁紧螺母Ⅰ1104螺接在丝杠轴8上，并处于轴承外隔圈Ⅱ1103与夹爪支撑壳体1的下表面之间。

进一步的，参见图8，所述的第四轴承组件12包括两个深沟球轴承1201、轴承隔圈1202和轴承锁紧螺母Ⅱ1203；两个所述的深沟球轴承1201同轴套装在丝杠轴8上，所述的轴承隔圈1202套在丝杠轴8上，并处于两个深沟球轴承1201之间，所述的轴承隔圈1202抵接在两个深沟球轴承1201的内圈上，所述的轴承锁紧螺母Ⅱ1203螺接在丝杠轴8上，并抵接在处于上方的深沟球轴承1201的外圈上。

本实施例中，所述的丝杠轴8通过第二轴承组件10、第三轴承组件11以及第四轴承组件12进行支撑和轴向固定，防止丝杠轴8在旋转的过程中发生颤振，同时丝杠螺母9和丝杠轴8组成梯形丝杠副，梯形丝杠副具有自锁特性。

本实施例中，驱动与传动机构C通过丝杠螺母副实现旋转运动到直线运动的转换，具体的，直流无刷电机提供动力，丝杠轴8绕自身的中轴线进行旋转，由于夹爪驱动底座603在轴向上是固定不动的，丝杠螺母9在夹爪驱动底座603的制约下沿着丝杠轴8的轴线方向上下移动，丝杠螺母9的外侧壁对夹爪驱动底座603产生向外的扩张力或者向内的拉力，使得夹爪驱动底座603产生径向的移动，进而实现夹爪机构的张开与闭合。

参见图8，所述的离合器机构D为环形结构，并套装在阶梯法兰2和丝杠轴8上；其包括离合器壳体13、离合器线圈14、压缩弹簧15、离合器固定摩擦盘16、离合器转动摩擦盘17、制动器转动摩擦盘18和限位法兰盘19；所述离合器壳体13的下环面开有一圈凹槽1301，离合器线圈14处于凹槽1301内；所述的离合器壳体13和离合器转动摩擦盘17由上至下依次套在阶梯法兰2的下段上，离合器壳体13与阶梯法兰2之间形成一个环形槽1302，所述的压缩弹簧15套在阶梯法兰2上并处于环形槽1302内，压缩弹簧15的一端抵接在阶梯法兰2的台阶面上，压缩弹簧15的另一端抵接在离合器转动摩擦盘17上；所述的离合器转动摩擦盘17与阶梯法兰2的外环壁之间为键连接并可轴向移动，所述的限位法兰盘19套在丝杠轴8上，并与阶梯法兰2的底端面通过螺钉固定连接，限位法兰盘19的外径大于阶梯法兰2下端的外径，故限位法兰盘19伸出一部分盘面，用于离合器转动摩擦盘17上下移动的限位；所述的制动器转动摩擦盘18套装在丝杠轴8上，并与丝杠轴8的轴肩通过螺钉固定连接；所述的离合器固定摩擦盘16通过胶粘的方式套装在离合器壳体13上，并通过止口和螺钉固定安装在离合器支撑壳体3内环壁的轴肩上；离合器固定摩擦盘16的下环面和离合器转动摩擦盘17上环面的接触面分别溅射有摩擦系数较大的耐磨材质并形成摩擦面，通过二者摩擦面的接触实现制动；所述离合器转动摩擦盘17的下环面与制动器转动摩擦盘18上环面的接触面分别溅射有摩擦系数较大的耐磨材质并形成摩擦面，通过二者摩擦面的接触实现制动。

进一步的，参见图8，所述离合器转动摩擦盘17的上环面同轴设置有一圈环形凸起Ⅰ1701，环形凸起Ⅰ1701与离合器固定摩擦盘16相对设置，环形凸起Ⅰ1701的上端面为摩擦面；离合器转动摩擦盘17的下环面同轴设置有一圈环形凸起Ⅱ1702，环形凸起Ⅱ1702的下端面为摩擦面。

进一步的，参见图8，所述制动器转动摩擦盘18的上环面同轴设置有一圈环形凸起Ⅲ1801，环形凸起Ⅲ1801与环形凸起Ⅱ1702相对设置，环形凸起Ⅲ1801的上端面为摩擦面。

进一步的，参见图8，所述限位法兰盘19的外径小于环形凸起Ⅱ1702的内径，在离合器转动摩擦盘17轴向向下移动的过程中，限位法兰盘19处于离合器转动摩擦盘17的环形凸起Ⅱ1702内，不会影响离合器转动摩擦盘17与制动器转动摩擦盘18的接触制动。

本实施例中，当离合器线圈14通电时，产生的电磁吸合力将离合器转动摩擦盘17吸合，从而使得离合器转动摩擦盘17在电磁吸合力的作用下，沿着阶梯法兰2的轴线方向并克服压缩弹簧15的弹力向上移动，离合器固定摩擦盘16的摩擦面与离合器转动摩擦盘17的摩擦面贴合并产生一定的压力，离合器转动摩擦盘17保持固定不动，此时压缩弹簧15处于压缩状态并存储一定的预紧力；由于制动器转动摩擦盘18和离合器转动摩擦盘17的摩擦面脱离，仅制动器转动摩擦盘18随丝杠轴8一起做旋转运动，丝杠螺母9做轴向直线运动，并带动夹爪601张开或闭合，实现对操作目标的释放或夹紧。

当离合器线圈14断电时，电磁吸合力消失，离合器转动摩擦盘17在压缩弹簧15的预紧力作用下沿着阶梯法兰2的轴线方向向下移动，离合器转动摩擦盘17的摩擦面和制动器转动摩擦盘18的摩擦面贴合并产生一定的压力；制动器转动摩擦盘18随丝杠轴8一起做旋转运动时，在制动器转动摩擦盘18和离合器转动摩擦盘17摩擦力的作用下，离合器转动摩擦盘17带动阶梯法兰2一起做旋转运动，阶梯法兰2将旋转的扭矩依次传递给夹爪支撑壳体1和夹爪机构B，夹爪机构B随着丝杠轴8一起做旋转运动，故夹爪机构B中夹爪驱动底座603不再对丝杠螺母9产生制约，丝杠螺母9也随着丝杠轴8一起做同步的旋转运动，不会对夹爪驱动底座603产生径向的推动力或者拉力；由于夹爪机构B的旋转实现对操作目标的旋拧。

参见图5，所述的传感器E包括由上至下依次设置的磁环固定板20、磁环21、角位置传感器处理电路板22和角位置传感器固定支架23；所述的磁环固定板20通过螺钉固定连接在电机转子轴701的下端面上，磁环21可通过胶粘的方式固定在磁环固定板20上，角位置传感器处理电路板22通过螺钉与角位置传感器固定支架23固定连接，角位置传感器固定支架23安装在轴系支撑壳体4的下端口处并将轴系支撑壳体4的下端口密封。

本实施例中，所述的磁环21与角位置传感器处理电路板22之间的安装具有一定的关系，确保磁环21在电机转子轴701的带动下做旋转运动时，角位置传感器处理电路板22可以采集电机转子轴701旋转角度的信息。

参见图1，所述的控制器F包括控制板支架24和控制板25，所述的控制板支架24固定安装在角位置传感器固定支架23的下表面处，控制板25通过螺钉与控制板支架24固定连接。

参见图1，所述的驱动器J包括驱动板26和驱动板支架27，所述的驱动板支架27固定安装在控制板支架24的下表面处，驱动板26通过螺钉固定安装在驱动板支架27上。

参见图1，所述的机械臂接口H包括由上至下依次设置的基座法兰28、防护盖29和更换接口30，以及绝缘垫31和电连接器32；所述的基座法兰28安装在驱动板支架27的下表面处，防护盖29设置在基座法兰28的下方，且二者之间的边缘处留有缝隙，并通过绝缘垫31进行密封；所述的更换接口30通过螺钉安装在防护盖29上，电连接器32安装在更换接口30的一侧。

本实施例中，所述更换接口30的下端口设计成锥面，通过更换接口30的锥面导向可实现与空间机械臂的快速对接，完成机械、电气连接，实现信号传递。

实施例2：

本实施例基于实施例1中的旋拧装置提供一种适应空间在轨精细操作的多功能旋拧方法，具体操作过程如下：

S1，空间目标捕获阶段：

离合器机构D中的离合器线圈14通电，产生的电磁吸合力将离合器转动摩擦盘17吸合，从而使得离合器转动摩擦盘17在电磁吸合力的作用下，沿着阶梯法兰2的轴线方向并克服压缩弹簧15的弹力向上移动，离合器固定摩擦盘16的摩擦面与离合器转动摩擦盘17的摩擦面贴合并产生一定的压力，离合器转动摩擦盘17保持固定不动，此时压缩弹簧15处于压缩状态并存储一定的预紧力；驱动与传动机构C中的直流无刷电机提供动力，丝杠轴8绕自身的中轴线进行旋转，由于制动器转动摩擦盘18和离合器转动摩擦盘17的摩擦面脱离，仅制动器转动摩擦盘18随丝杠轴8一起做旋转运动，夹爪机构B中的夹爪驱动底座603在周向上和轴向上是固定不动的，丝杠螺母9在夹爪驱动底座603的制约下沿着丝杠轴8的轴线方向下移动，由于丝杠螺母9与夹爪驱动底座603所对应的横截面面积逐渐减小，故丝杠螺母9的外侧壁对夹爪驱动底座603产生向内的拉力，使得夹爪驱动底座603产生径向的移动，三个夹爪601之间所形成的口径逐渐减小，进而实现夹爪机构对空间目标的抓取。

S2，空间目标的旋拧阶段：

离合器机构D中的离合器线圈14断电，电磁吸合力消失，离合器转动摩擦盘17在压缩弹簧15的预紧力作用下沿着阶梯法兰2的轴线方向向下移动，离合器转动摩擦盘17的摩擦面和制动器转动摩擦盘18的摩擦面贴合并产生一定的压力；驱动与传动机构C中的直流无刷电机提供动力，丝杠轴8绕自身的中轴线进行旋转，制动器转动摩擦盘18随丝杠轴8一起做旋转运动，离合器转动摩擦盘17在制动器转动摩擦盘18摩擦力的作用下，带动阶梯法兰2一起做旋转运动，阶梯法兰2将旋转的扭矩依次传递给夹爪支撑壳体1和夹爪机构B，夹爪机构B随着丝杠轴8一起做旋转运动，由于夹爪机构B与丝杠螺母9产生同步的旋转运动，故夹爪机构B中夹爪驱动底座603不再对丝杠螺母9产生制约，丝杠螺母9也随着丝杠轴8一起做同步的旋转运动，不会对夹爪驱动底座603产生径向的推动力或者拉力；夹爪机构B的旋转实现对操作目标的旋拧。

S3，空间目标释放阶段：

离合器机构D中的离合器线圈14通电，产生的电磁吸合力将离合器转动摩擦盘17吸合，从而使得离合器转动摩擦盘17在电磁吸合力的作用下，沿着阶梯法兰2的轴线方向并克服压缩弹簧15的弹力向上移动，离合器固定摩擦盘16的摩擦面与离合器转动摩擦盘17的摩擦面贴合并产生一定的压力，离合器转动摩擦盘17保持固定不动，此时压缩弹簧15处于压缩状态并存储一定的预紧力；驱动与传动机构C中的直流无刷电机提供动力，丝杠轴8绕自身的中轴线进行反向旋转，由于制动器转动摩擦盘18和离合器转动摩擦盘17的摩擦面脱离，仅制动器转动摩擦盘18随丝杠轴8一起做反向旋转运动，夹爪机构B中的夹爪驱动底座603在周向上和轴向上是固定不动的，丝杠螺母9在夹爪驱动底座603的制约下沿着丝杠轴8的轴线方向上移动，由于丝杠螺母9与夹爪驱动底座603所对应的横截面面积逐渐增加，故丝杠螺母9的外侧壁对夹爪驱动底座603产生向外的扩张力，使得夹爪驱动底座603产生径向的移动，三个夹爪601之间所形成的口径逐渐增加，进而实现夹爪机构对空间目标的释放。

实施例3：

参见图10至图13，本实施例与实施例1不同的是，所述夹爪支撑壳体1的中心位置处开有一个中心通孔102，且在夹爪支撑壳体1的下表面同轴设置一个一体的安装套筒103。

所述的驱动与传动机构C包括直流无刷电机7、旋转轴33和驱动盘34，所述的驱动盘34为圆环形结构，驱动盘34的上环面上开有一个同心的环形安装槽3401，且驱动盘34的上环面处于环形安装槽3401外侧的部分开有螺纹；所述的直流无刷电机7安装在轴系支撑壳体4内，所述旋转轴33的底端与直流无刷电机7的动力输出端固定连接，并通过第二轴承组件10转动安装在轴系支撑壳体4上，所述旋转轴33的上端依次穿过离合器支撑壳体3和阶梯法兰2并插在驱动盘34的中心通孔内，所述驱动盘34的内环壁与旋转轴33采用键连接，以传递直流无刷电机7的旋转扭矩；所述的安装套筒103插在驱动盘34的环形安装槽3401内，并与环形安装槽3401靠近驱动盘34中心通孔侧的内环壁之间通过第五轴承组件35进行转动连接；安装套筒103的外环壁与环形安装槽3401远离驱动盘34中心通孔侧的内环壁之间为间隙配合，保证驱动盘34的顺利旋转。

参见图14，所述的夹爪机构B包括三个夹爪组件6，三个夹爪组件6周向均匀设置，并分别滑动连接在夹爪支撑壳体1的滑槽上；每个夹爪组件6包括一个夹爪601和一个夹爪滑动底座602，所述的夹爪601固定安装在夹爪滑动底座602的上表面处，并处于夹爪支撑壳体1的上方；所述的夹爪滑动底座602滑动连接在夹爪支撑壳体1的滑槽Ⅰ101内，夹爪滑动底座602为长方体，夹爪滑动底座602的下表面开有螺纹，并与驱动盘34上表面的螺纹相咬合，实现夹爪滑动底座602沿着夹爪支撑壳体1径向方向的移动。

进一步的，参见图11，所述的第五轴承组件35包括轴承内隔圈Ⅲ3501、轴承外隔圈Ⅲ3502、轴承锁紧螺母Ⅲ3503和轴承Ⅱ3504；所述的轴承锁紧螺母Ⅲ3503、轴承外隔圈Ⅲ3502、轴承Ⅱ3504和轴承内隔圈Ⅲ3501由上至下依次设置在旋转轴33上，轴承锁紧螺母Ⅲ3503与旋转轴33螺接在一起；轴承外隔圈Ⅲ3502抵接在轴承Ⅱ3504的外圈上，轴承内隔圈Ⅲ3501抵接在轴承Ⅱ3504的内圈上。

本实施例中，驱动与传动机构C通过驱动盘34与夹爪滑动底座602螺纹的配合实现旋转运动到直线运动的转换，具体的，直流无刷电机提供动力，旋转轴33绕自身的中轴线进行旋转，并带动驱动盘34旋转，驱动盘34上的螺纹对夹爪滑动底座602产生径向的驱动力，使得夹爪滑动底座602产生径向的移动，进而实现夹爪机构的张开与闭合。

实施例4：

本实施例基于实施例3中的旋拧装置提供一种适应空间在轨精细操作的多功能旋拧方法，具体操作过程如下：

S1，空间目标捕获阶段：

离合器机构D中的离合器线圈14通电，产生的电磁吸合力将离合器转动摩擦盘17吸合，从而使得离合器转动摩擦盘17在电磁吸合力的作用下，沿着阶梯法兰2的轴线方向并克服压缩弹簧15的弹力向上移动，离合器固定摩擦盘16的摩擦面与离合器转动摩擦盘17的摩擦面贴合并产生一定的压力，离合器转动摩擦盘17保持固定不动，此时压缩弹簧15处于压缩状态并存储一定的预紧力；驱动与传动机构C中的直流无刷电机提供动力，旋转轴33绕自身的中轴线进行旋转，并带动驱动盘34旋转，驱动盘34上的螺纹对夹爪滑动底座602产生径向的驱动力，使得夹爪滑动底座602径向向内移动，进而实现夹爪机构对空间目标的捕获；由于制动器转动摩擦盘18和离合器转动摩擦盘17的摩擦面脱离，仅制动器转动摩擦盘18随旋转轴33一起做旋转运动，夹爪机构不会产生旋拧的动作。

S2，空间目标的旋拧阶段：

离合器机构D中的离合器线圈14断电，电磁吸合力消失，离合器转动摩擦盘17在压缩弹簧15的预紧力作用下沿着阶梯法兰2的轴线方向向下移动，离合器转动摩擦盘17的摩擦面和制动器转动摩擦盘18的摩擦面贴合并产生一定的压力；驱动与传动机构C中的直流无刷电机提供动力，旋转轴33绕自身的中轴线进行旋转，制动器转动摩擦盘18随旋转轴33一起做旋转运动，离合器转动摩擦盘17在制动器转动摩擦盘18摩擦力的作用下，带动阶梯法兰2一起做旋转运动，阶梯法兰2将旋转的扭矩依次传递给夹爪支撑壳体1和夹爪机构B，夹爪机构B随着旋转轴33一起做旋转运动，由于夹爪机构B中的夹爪滑动底座602与驱动盘34同步转动，驱动盘34不会对夹爪滑动底座602产生径向的推动力或者拉力；夹爪机构B的旋转实现对操作目标的旋拧。

S3，空间目标释放阶段：

离合器机构D中的离合器线圈14通电，产生的电磁吸合力将离合器转动摩擦盘17吸合，从而使得离合器转动摩擦盘17在电磁吸合力的作用下，沿着阶梯法兰2的轴线方向并克服压缩弹簧15的弹力向上移动，离合器固定摩擦盘16的摩擦面与离合器转动摩擦盘17的摩擦面贴合并产生一定的压力，离合器转动摩擦盘17保持固定不动，此时压缩弹簧15处于压缩状态并存储一定的预紧力；驱动与传动机构C中的直流无刷电机提供动力，旋转轴33绕自身的中轴线进行反向旋转，由于制动器转动摩擦盘18和离合器转动摩擦盘17的摩擦面脱离，仅制动器转动摩擦盘18随旋转轴33一起做反向旋转运动，驱动盘34上的螺纹对夹爪滑动底座602产生径向的驱动力，使得夹爪滑动底座602径向向外移动，进而实现夹爪机构对空间目标的释放。

本申请在旋转支撑外壳A、夹爪机构B、驱动与传动机构C和离合器机构D的协同作用下实现了对空间目标的捕获、旋拧与释放动作，完成空间操作任务。

本申请对空间目标的捕获、旋拧与释放动作，仅通过一个直流无刷电机完成，减小了装置的整体体积与重量；同时本申请采用体积与质量较小的离合器机构D，利用电磁离合器的吸合力，使得离合器转动摩擦盘17具备上下移动的自由度，并利用离合器转动摩擦盘17与离合器固定摩擦盘16之间的摩擦力和与制动器转动摩擦盘18之间的摩擦力，使得夹爪机构B中的夹爪完成了平面移动以及旋转两个自由度的动作；整个装置具备自由度少、功耗低和控制简单的效果。

本申请的驱动与传动机构C采用梯形丝杠螺母传动或者驱动盘与夹爪滑动底座602之间的螺纹传动，可以实现自锁，无需额外的制动器组件，重量小，可靠性高。

本申请采用了模块化机电接口，具备和空间机器人或空间机械臂的对接能力，具备在轨更换的能力，极大地拓展了在轨精细操作的应用范围。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。