CN101659057B - 具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节 - Google Patents

Abstract

具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节，它涉及一种探月机械臂模块化关节。本发明解决了月球探测车的机械臂模块化关节存在的发射成本高和月球探测车机械臂的使用寿命短的问题。本发明的驱动装置通过电机转子轴与谐波减速器输入端法兰盘连接，刚轮与角接触轴承内座固接，角接触轴承内座与输入装置外壳固接，柔轮与谐波减速器输出端法兰盘和输出法兰盘固接，角接触轴承内座与角接触轴承外座之间有背靠背角接触轴承，密封装置法兰盘与角接触轴承外座之间设有接触式填料密封结构和机械限位结构，电气装置固定在角接触轴承内座与输出法兰盘之间。本发明具有断电保护功能且结构紧凑、质量轻、功耗低、密封性能好，发射成本低和使用寿命长的优点。

Description

具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节

技术领域

本发明涉及一种探月机械臂模块化关节。

背景技术

月球探测器通过环绕月球飞行对月球表面的矿石和空间环境等进行探测。要更加精确的分析月球表面的矿石及土壤，需要像月球探测车这样的能行走在月球表面的探测器。月球探测车上携带的机械臂可以通过在末端放置各种地质分析仪器实现对月球表面的探测。月球探测车机械臂模块化关节是月球探测车机械臂的主要组成部分。其性能决定了整个机械臂的可靠性、末端输出力矩、末端位置精度等各项主要性能。为降低月球探测车的发射成本，月球探测车机械臂关节首先应具有较轻的质量，同时又不影响强度。其次，为了延长机械臂的寿命，在机械结构上需要在月球探测车机械臂关节的一些相对运动部分添加密封结构。另外，由于月球表面具有相对于地球引力六分之一的重力，关节的设计需要考虑到月球臂断电后保持断电前姿态的功能。美国宇航局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)为勘探技术(ET)漫游车设计的机械臂质量轻、负载能力强，具有关节限位且采用模块化设计，但其关节部分都由铝合金制成，这样很容易在空间高低温变化时使轴承卡死，导致关节不能正常工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的月球探测车的机械臂模块化关节存在的发射成本高和月球探测车机械臂的使用寿命短的问题，进而提供一种具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节。

本发明的技术方案是：具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节包括输入装置、输出装置、密封装置和电气装置；所述输入装置包括驱动装置和输入装置外壳；所述驱动装置安装在输入装置外壳内，所述驱动装置包括直流无刷电机定子、直流无刷电机转子和电机转子轴，直流无刷电机定子安装在输入装置外壳的内壁上，电机转子轴设置在输入装置外壳内，直流无刷电机转子套装在电机转子轴上；所述密封装置包括密封装置法兰盘与O型圈，所述输出装置包括谐波减速器输入端法兰盘、旋转变压器传动装置、谐波减速器、谐波减速器输出端法兰盘、背靠背角接触轴承对、角接触轴承内座、角接触轴承内圈挡板、角接触轴承外圈挡板、角接触轴承外座、角接触轴承外座限位块和输出法兰盘；谐波减速器输入端法兰盘与电机转子轴固接，直流无刷电机转子的运动从输入装置传入输出装置；所述输入装置外壳、角接触轴承内座和密封装置法兰盘三者在角接触轴承内座的外圈法兰处固接，通过将O型圈压在密封装置法兰盘与角接触轴承外座之间实现接触式填料密封；所述角接触轴承外座限位块布置在角接触轴承外座的右侧端面上且固定在角接触轴承外座上，并与密封装置法兰盘右端伸出的限位块形成机械限位结构；所述谐波减速器包括柔轮、刚轮和波发生器，波发生器套在谐波减速器输入端法兰盘外壁上，柔轮、谐波减速器输出端法兰盘和输出法兰盘三者固接；刚轮套装在柔轮上，且与角接触轴承内座的内圈法兰固接，所述背靠背角接触轴承对套在角接触轴承内座与角接触轴承外座之间，左端轴承的内外圈分别靠在角接触轴承内座与角接触轴承外座相应位置的凸肩上，右端轴承的内外圈分别用角接触轴承内圈挡板和角接触轴承外圈挡板轴向紧固，角接触轴承内圈挡板与角接触轴承内座螺纹连接，角接触轴承外圈挡板与角接触轴承外座螺纹连接；所述旋转变压器传动装置通过旋转变压器传动装置的旋转变压器输入轴与谐波减速器输入端法兰盘的内圈以及旋转变压器转子传动连接，运动从谐波减速器输入端法兰盘传入旋转变压器传动装置；所述电气装置设置在角接触轴承内座与输出法兰盘之间。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：一、本发明采用直流无刷电机和谐波减速器联合驱动方式，具有断电保护功能、安装方便、结构紧凑、质量轻、功耗低、单位质量输出力矩大、传动可靠、发射成本低和使用寿命长等优点。二、本发明采用的具有力矩保持功能的直流无刷电机具有制动器的功能，代替了传统制动器，进一步减轻了关节的重量，降低发射成本。三、关节输出端安装了两个背对背布置的角接触球轴承，增加了关节的刚度，抗倾覆力矩能力强。四、角接触轴承外座与密封装置法兰盘之间采用接触式填料密封结构和机械限位结构，结构简单、可靠性高、整个关节防尘能力强，可以有效避免外部灰尘的侵入，又可以避免由于突然的掉电或者其他原因对关节造成的损害。五、本发明集成化程度高、结构紧凑、可靠性高、位置输出精度高、整体抗弯刚度大，不仅能适应月球表面强辐射、低重力、大温差的环境的需要，而且还能完全适应地面环境中的需要。

附图说明

图1是本发明的关节整体结构立体图，图2是本发明的关节整体结构主视剖面图，图3是输入装置主视剖面图，图4是输出装置主视剖面图，图5是旋转变压器传动装置主视剖面图，图6是角接触轴承内座的立体图，图7是角接触轴承内座的主视剖面图，图8是角接触轴承外座的立体图，图9是角接触轴承外座限位块的立体图，图10是密封装置法兰盘的立体图，图11是角接触轴承外圈挡板的立体图，图12是角接触轴承外圈挡板的主视剖面图，图13是角接触轴承内圈挡板的立体图，图14是角接触轴承内圈挡板的主视剖面图，图15是位置传感器的主视图，图16是位置传感器的俯视图，图17是电刷组件的立体图，图18是电刷座基座法兰盘的立体图，图19是电刷座基座法兰盘的主视剖面图，图20是输出法兰盘的立体图，图21是输出法兰盘的主视剖面图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～14和图20以及图21说明本实施方式，本实施方式的具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节包括输入装置A、输出装置B、密封装置C和电气装置D；所述输入装置A包括驱动装置和输入装置外壳11；所述驱动装置安装在输入装置外壳11内，所述驱动装置包括直流无刷电机定子12、直流无刷电机转子13和电机转子轴14，直流无刷电机定子12安装在输入装置外壳11的内壁上，电机转子轴14设置在输入装置外壳11内，直流无刷电机转子13套装在电机转子轴14上；所述密封装置C包括密封装置法兰盘22与O型圈23，所述输出装置B包括谐波减速器输入端法兰盘9、旋转变压器传动装置E、谐波减速器、谐波减速器输出端法兰盘29、背靠背角接触轴承对24、角接触轴承内座6、角接触轴承内圈挡板1、角接触轴承外圈挡板2、角接触轴承外座4、角接触轴承外座限位块3和输出法兰盘27；谐波减速器输入端法兰盘9与电机转子轴14固接，直流无刷电机转子13的运动从输入装置A传入输出装置B；所述输入装置外壳11、角接触轴承内座6和密封装置法兰盘22三者在角接触轴承内座6的外圈法兰33处固接，通过将O型圈23压在密封装置法兰盘22与角接触轴承外座4之间实现接触式填料密封；所述角接触轴承外座限位块3布置在角接触轴承外座4的右侧端面35上且固定在角接触轴承外座4上，并与密封装置法兰盘22右端伸出的限位块38形成机械限位结构；所述谐波减速器包括柔轮5、刚轮7和波发生器8组成，波发生器8套在谐波减速器输入端法兰盘9外壁上，柔轮5、谐波减速器输出端法兰盘29和输出法兰盘27三者固接；刚轮7套装在柔轮5上，且与角接触轴承内座6的内圈法兰32固接，所述背靠背角接触轴承对24套在角接触轴承内座6与角接触轴承外座4之间，左端轴承的内外圈分别靠在角接触轴承内座6与角接触轴承外座4相应位置的凸肩上，右端轴承的内外圈分别用角接触轴承内圈挡板1和角接触轴承外圈挡板2轴向紧固，角接触轴承内圈挡板1与角接触轴承内座6螺纹连接，角接触轴承外圈挡板2与角接触轴承外座4螺纹连接；所述旋转变压器传动装置E通过旋转变压器传动装置的旋转变压器输入轴10与谐波减速器输入端法兰盘9的内圈以及旋转变压器转子16传动连接，运动从谐波减速器输入端法兰盘9传入旋转变压器传动装置E；所述电气装置设置在角接触轴承内座6与输出法兰盘27之间。

具体实施方式二：结合图2、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的旋转变压器传动装置包括第一径向轴承28、旋转变压器输入轴10、键21、旋转变压器定子15、旋转变压器转子16、第二径向轴承18、第二径向轴承支承座20、调整垫片17和第二径向轴承压盖19；所述第一径向轴承28内圈支撑在旋转变压器输入轴10的右端，第一径向轴承28外圈套在谐波减速器输出端法兰盘29的轴承座内；旋转变压器输入轴10的左端套在第二径向轴承18内圈内，第二径向轴承18套在第二径向轴承支承座20的轴承座内，第二径向轴承压盖19从左侧压入支承座20内且与支承座20固接，在压盖19与第二径向轴承18之间有调整垫片，实现轴承的预紧；所述旋转变压器定子15与第二径向轴承支承座20固接，旋转变压器转子16套在旋转变压器输入轴10上。旋转变压器的旋转变压器定子15和旋转变压器转子16，用于精确测量关节的相对位置；这种关节位置传感器的融合性设计方法可以用来精确检测关节的旋转角度。如此设置，传动更为可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2、图15～图19说明本实施方式，本实施方式的电气装置D为电位计；所述电位计包括电刷42、电刷座25、电刷座基座法兰盘26、导电环41和电位计板30，电刷42固定在电刷座25上，电刷座25安装在电刷座基座法兰盘26的安装孔46内，电刷座基座法兰盘26与角接触轴承内座6固接，电刷座25与法兰盘26与轴承内座6相抵靠，实现对电刷座组件的固定，导电环41贴在电位计板30上，电位计板30与输出法兰盘27固接。利用电刷42在导电环41上面滑动来测量关节的旋转角度；电位计测量关节的绝对位置，再由旋转变压器精确测量关节相对位置，这种关节位置传感器的融合性设计方法可以用来精确检测关节的旋转角度。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2、图4和图8说明本实施方式，本实施方式的角接触轴承内圈挡板1、角接触轴承外圈挡板2、角接触轴承外座4、角接触轴承内座6、旋转变压器输入轴10、输入装置外壳11、第二径向轴承压盖19、第二径向轴承支承座20和密封装置法兰盘22均由钛合金制成，与轴承材料热膨胀系数相差较小，不会因轴承内环座、轴承外环座与轴承内外钢圈的热膨胀系数相差太大而使轴承卡死。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

关节力矩的传递过程为：驱动装置通过电机转子轴14将动力传递给谐波减速器输入端法兰盘9，谐波减速器输入端法兰盘9将力矩传递给波发生器8，波发生器8带动柔轮5转动，刚轮7固定，动力由柔轮直接传递给输出法兰盘27，从而实现了整个关节的力矩输出。

Claims (4)

1.一种具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节，它包括输入装置(A)、输出装置(B)、密封装置(C)和电气装置(D)；其特征在于：所述输入装置(A)包括驱动装置和输入装置外壳(11)；所述驱动装置安装在输入装置外壳(11)内，所述驱动装置包括直流无刷电机定子(12)、直流无刷电机转子(13)和电机转子轴(14)，直流无刷电机定子(12)安装在输入装置外壳(11)的内壁上，电机转子轴(14)设置在输入装置外壳(11)内，直流无刷电机转子(13)套装在电机转子轴(14)上；所述密封装置(C)包括密封装置法兰盘(22)与O型圈(23)，所述输出装置(B)包括谐波减速器输入端法兰盘(9)、旋转变压器传动装置(E)、谐波减速器、谐波减速器输出端法兰盘(29)、背靠背角接触轴承对(24)、角接触轴承内座(6)、角接触轴承内圈挡板(1)、角接触轴承外圈挡板(2)、角接触轴承外座(4)、角接触轴承外座限位块(3)和输出法兰盘(27)；谐波减速器输入端法兰盘(9)与电机转子轴(14)固接，直流无刷电机转子(13)的运动从输入装置(A)传入输出装置(B)；所述输入装置外壳(11)、角接触轴承内座(6)和密封装置法兰盘(22)三者在角接触轴承内座(6)的外圈法兰(33)处固接，通过将O型圈(23)压在密封装置法兰盘(22)与角接触轴承外座(4)之间实现接触式填料密封；所述角接触轴承外座限位块(3)布置在角接触轴承外座(4)的右侧端面(35)上且固定在角接触轴承外座(4)上，并与密封装置法兰盘(22)右端伸出的限位块(38)形成机械限位结构；所述谐波减速器包括柔轮(5)、刚轮(7)和波发生器(8)，波发生器(8)套在谐波减速器输入端法兰盘(9)外壁上，柔轮(5)、谐波减速器输出端法兰盘(29)和输出法兰盘(27)三者固接；刚轮(7)套装在柔轮(5)上，且与角接触轴承内座(6)的内圈法兰(32)固接，所述背靠背角接触轴承对(24)套在角接触轴承内座(6)与角接触轴承外座(4)之间，左端轴承的内外圈分别靠在角接触轴承内座(6)与角接触轴承外座(4)相应位置的凸肩上，右端轴承的内外圈分别用角接触轴承内圈挡板(1)和角接触轴承外圈挡板(2)轴向紧固，角接触轴承内圈挡板(1)与角接触轴承内座(6)螺纹连接，角接触轴承外圈挡板(2)与角接触轴承外座(4)螺纹连接；所述旋转变压器传动装置(E)通过旋转变压器传动装置的旋转变压器输入轴(10)与谐波减速器输入端法兰盘(9)的内圈以及旋转变压器转子(16)传动连接，运动从谐波减速器输入端法兰盘(9)传入旋转变压器传动装置(E)；所述电气装置设置在角接触轴承内座(6)与输出法兰盘(27)之间。

2.根据权利要求1所述具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节，其特征在于：所述旋转变压器传动装置包括第一径向轴承(28)、旋转变压器输入轴(10)、键(21)、旋转变压器定子(15)、旋转变压器转子(16)、第二径向轴承(18)、第二径向轴承支承座(20)、调整垫片(17)和第二径向轴承压盖(19)；所述第一径向轴承(28)内圈支撑在旋转变压器输入轴(10)的右端，第一径向轴承(28)外圈套在谐波减速器输出端法兰盘(29)的轴承座内；旋转变压器输入轴(10)的左端套在第二径向轴承(18)内圈内，第二径向轴承(18)套在第二径向轴承支承座(20)的轴承座内，第二径向轴承压盖(19)从左侧压入支承座(20)内且与支承座(20)固接，在压盖(19)与第二径向轴承(18)之间设有调整垫片(17)；所述旋转变压器定子(15)与第二径向轴承支承座(20)固接，旋转变压器转子(16)套在旋转变压器输入轴(10)上。

3.根据权利要求2所述具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节，其特征在于：所述电气装置(D)为电位计；所述电位计包括电刷(42)、电刷座(25)、电刷座基座法兰盘(26)、导电环(41)和电位计板(30)，电刷(42)固定在电刷座(25)上，电刷座(25)安装在电刷座基座法兰盘(26)的安装孔(46)内，电刷座基座法兰盘(26)与角接触轴承内座(6)固接，电刷座(25)与法兰盘(26)与轴承内座(6)相抵靠，导电环(41)贴在电位计板(30)上，电位计板(30)与输出法兰盘(27)固接。

4.根据权利要求1、2或3所述具有力矩保持特性的探月机械臂模块化关节，其特征在于：所述角接触轴承内圈挡板(1)、角接触轴承外圈挡板(2)、角接触轴承外座(4)、角接触轴承内座(6)、旋转变压器输入轴(10)、输入装置外壳(11)、第二径向轴承压盖(19)、第二径向轴承支承座(20)和密封装置法兰盘(22)均由钛合金制成。

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