CN102189546B

CN102189546B - 一种用于行星探测车的多功能机械臂

Info

Publication number: CN102189546B
Application number: CN 201110137930
Authority: CN
Inventors: 张冰蔚; 刘冠军; 张翊伟
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: CN102189546A

Abstract

本发明公开的一种用于行星探测车的多功能集成式机械臂，具有4个转动关节，将具有二维转台的立体相机设置于机械臂的肘部关节，利用三角形稳定性原理，使机械臂与锁定装置构成的三角形稳定结构，实现了机械臂与举升立体相机的桅杆合二为一，不仅省去用于举升立体相机的桅杆，简化机构，减轻重量，也免去了桅杆所需的电能消耗，大大提高了火星探测车的能源效率。

Description

一种用于行星探测车的多功能机械臂

技术领域

本发明涉及一种机械臂，尤其是一种用于行星探测车的多功能机械臂。

背景技术

目前太空探索的两大热点分别是月球和火星，其中月球探测美国在60年代就已多次实现载人登陆，中国也于2007年和2010年先后发射了“嫦娥1号”和“嫦娥2号”月球探测器，实现了绕月探测，下一步“嫦娥3号”将实现无人探测车登月探测。

探索火星对了解地球生命起源具有重要意义，中国目前正在研制面向火星探测的大推力运载火箭，我国研制的首个火星探测器“萤火一号”将和俄罗斯的“火卫一”探测器一起搭乘俄罗斯“福布斯”运载火箭于2011年飞向火星。由于火星距地球更遥远，从地球发射至火星约需半年时间，根据美国宇航局（NASA）的太空探测计划，至少未来20年内人类还是要依靠无人登陆器（Lander）和探测车（Rover）探测火星。因此面向火星探测的无人探测车及其机械臂的研制受到各国的重点关注，在满足火星探测任务的前提下，追求轻质、节能是关键，尤其是我国目前的火箭运载能力只有美国的约十分之一，提升探测车的质量效率至关重要。

迄今为止，美国已登录火星的无人探测车，如1997年发射的“火星探路者号”（Mars Pathfinder）、2003年升空的“机遇号”（Opportunity）和“勇气号”（Spirit）、以及将于2011年发射的火星车“猎奇号”（Curiosity）均设有举升立体相机的桅杆（Mast）和用于采集岩石样本作业的机械臂（Arm）。立体相机用于拍摄环境照片并为机械臂捕捉目标，机械臂用于采集岩石样本。在绝大多数时间内，机械臂处于待命的非工作状态，而立体相机则需长时间工作，在机械臂工作的短暂时间内暂停目标捕捉。由于立体相机捕捉目标与机械臂采集岩石样本作业非同时工作，为桅杆与机械臂两臂合一提供了可能性。

发明专利“一种用于探测作业的三自由度机械臂结构”（ZL：200610134926.5），提出了一种将桅杆和机械臂合二为一的结构，具有折叠构型、举升观测构型、就位探测构型、地面探测四种构型。但这种机械臂在进行探测时各关节驱动器处于耗能状态，虽然可以采用带永磁制动器的电机实现其探测姿态的保持，但当机械臂转动时需消耗更多的电能来克服永磁制动力矩。因此对火星车能源消耗极其苛刻的环境并非适宜，且火星探测车在车体内一般另有相机负责车前近地观测，立体相机主要负责周围环境观测，并不需要俯探近地观测。因此，寻求一种在举升立体相机时不耗能的机械臂结构用于火星探测车具有重要的应用价值。

发明内容

本发明公开的一种用于行星探测车的多功能机械臂，采用4自由度的机械臂，将具有转台的立体相机设置于机械臂的肘部关节，利用三角形稳定性原理，使机械臂构成的三角形稳定结构，实现举升立体相机不耗电能，只在机械臂进行采集岩石样本作业和进出三角形稳定构型过程中耗电，除了省去桅杆以减轻重量，也省去了平时举升相机的电能消耗，大大提高了火星探测车的能源效率。

为达到上述技术目的，本发明公开了一种用于行星探测车的多功能机械臂，该位于探测车30上的机械臂10包括前臂11、后臂12、机体关节13、肩关节14、肘关节15、腕关节16和挖勺17；其特征在于：在机械臂10肘关节16上设置了立体相机组件20，其由立体相机21、横摇关节22和俯仰关节23组成；在探测车30车体31的上表面设有一锁定装置40，其由支架41、托架42、锁槽43、锁栓44及拨销45构成；所述的机械臂10可通过将腕关节16上设置的锁销18置入锁定装置40的锁槽43内构成三角形的稳定结构。

本发明所述机械臂10具有绕机体关节13轴线A、肩关节14轴线B、肘关节15轴线C和挖勺17腕关节16轴线D转动的四个回转自由度I、II、III、IV。

本发明所述锁定装置40内设有锁栓44和与其连接的拨销45，通过机械臂10的腕关节16上的左拨块19a和右拨块19b可拨动拨销45带动锁栓44转动。

本发明的主要特点是：

1）实现机械臂与举升立体相机的桅杆合二为一，简化机构，减轻重量；

2）利用三角形稳定性构型实现机械臂在不耗电状态下举升立体相机；

3）各关节驱动电机可不带制动器，简化电机结构，降低能源消耗；

4）挖勺挖掘火星土壤或岩石样本时，机械臂肘部承载的立体相机及其云台的重量有助于增加机械臂的挖掘力；

附图说明

附图1是本发明机械臂探测状态的视图；

附图2是本发明机械臂挖掘状态视图；

附图3是本发明机械收起状态视图；

附图4是图1锁定装置处的视图；

附图5是图1挖勺处将锁定装置移去后的视图；

附图6是图3的A-A剖视图。

图中：10、机械臂，11、前臂，12、后臂，13、机体关节，14、肩关节，15、肘关节，16、腕关节，17、挖勺，18、锁销，19a、左拨块，19b、右拨块，20、立体相机组件，21、立体相机，22、横摇关节，23、俯仰关节，30、探测车，31、车体，32、前部相机，33、摆杆，34、固定轴，35、转轴，36、摇杆，37、车轮，40、锁定装置，41、支架，42、托架，43、锁槽，44、锁栓，45、拨销。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

以本发明用于火星探测为实施例，进一步说明。

实施例：附图1为机械臂10举升立体相机21时的探测状态，通过机械臂10的机体关节13、肩关节14、肘关15的转动，将腕关节16上设置的锁销18置入锁定装置40的锁槽43内，并由腕关节16的转动带动锁栓44使锁销18锁定于锁槽43内，使得前臂11与后臂12与锁定装置40构成三角形稳定结构。根据三角形稳定性可知，只要将腕关节16上的锁销18与锁定装置40保持可靠固定，机械臂10的各关节相对于车体31位置就保持固定，为了提高立体相机21的举升高度，这里构成的三角形为等腰三角形。

与立体相机21集成的横摇关节22和俯仰关节23可驱动立体相机21实现横摇V和俯仰VI的转动，进行周边环境立体图像探测。当机械臂10处于锁定状态，肘关节15相对于车体30的位置是固定的，有利于立体相机20捕捉目标的定位。机械臂10的所有回转关节均由带行星减速器的电机通过谐波减速器实现大降速比降速驱动并同时增大扭矩。而举升立体相机20的机械臂10进入或移出锁定装置40构成三角形稳定结构过程中,肩部关节14所需的扭矩应小于其额定转矩。

探测车30由车体31、前部相机32和两侧布置的摆杆33、固定轴34、转轴35、摇杆36和6个车轮37组成，摆杆33可绕固定轴34转动，摇杆36可绕转轴35转动，两侧摆杆33的固定轴34之间为差动连接。这样使得探测车30在崎岖地形行驶中，两侧的6个车轮37可随地形高低变化而跟随调整。车体31的上表面可设置太阳能接收板，车体31内部空间用于设置控制装置并装备各种行星探测所需的分析仪器。

图2为机械臂10的挖掘岩石样本时的工作状态，这时机械臂10脱离锁定装置40，根据立体相机21锁定的采样目标进行样本采集操作。此时，由控制系统控制机械臂10各关节的转动实施样本采集作业，可通过车体31的前部相机32观测样本采集状态。

图3为机械臂10收起平卧时的待命状态，当探测车处于非工作状态，如夜晚或太阳能不足于工作需求时，可将机械臂10折叠收起平卧在固定于锁定装置40的托架42上。

图4为机械臂10与锁定装置40构成三角形稳定构型时锁定装置40与挖勺17的局部视图。通过将与腕关节16连接的锁销18置入锁槽43内，并利用腕关节16的旋转通过右拨快19b（图5）拨动拨销45（图6）带动锁栓44将锁销18的出口封住，以保证探测车30行驶在不平地形时引起的颠簸造成锁销18振出锁槽43。

图5为图1挖勺处将锁定装置40移去后的视图，在腕关节16的端面设有锁销18、左拨块19a和右拨块19b，锁销18用于机械臂10与锁定装置40锁槽43之间的连接，右拨快19b用于顺时针拨动拨销45（图6）使锁栓44锁住锁销18，左拨块19a用于逆时针拨动拨销45使锁栓44退出对锁销18的锁定。

图6是图3的A-A剖视图，表示了机械臂10处于收起状态时前臂11和后臂12与锁定装置的位置关系。托架42与锁定装置40通过螺钉连接，圆管状的前臂11和后臂12由托架42两个圆弧形槽座支撑。

由于在行星探测期间，机械臂各关节电机驱动的能源来自太阳能，在满足功能要求的前提下，减轻重量、节省能源至关重要，本实施例采用机械臂构成三角形稳定结构，使得机械举升立体相机时不耗电，省去了专门用于举升立体相机的桅杆，降低了能源消耗。

Claims

1.一种用于行星探测车的多功能机械臂，该位于探测车（30）上的机械臂（10）包括前臂（11）、后臂（12）、机体关节（13）、肩关节（14）、肘关节（15）、腕关节（16）和挖勺（17）；其特征在于：在机械臂（10）肘关节（16）上设置了立体相机组件（20），其由立体相机（21）、横摇关节（22）和俯仰关节（23）组成；在探测车（30）车体（31）的上表面设有一锁定装置（40），其由支架（41）、托架（42）、锁槽（43）、锁栓（44）及拨销（45）构成；所述的机械臂（10）通过将腕关节（16）上设置的锁销（18）置入锁定装置（40）的锁槽（43）内构成三角形的稳定结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于行星探测车的多功能机械臂，其特征在于所述的机械臂（10）具有绕机体关节（13）轴线A、肩关节（14）轴线B、肘关节（15）轴线C和挖勺（17）腕关节（16）轴线D转动的四个回转自由度（I、II、III、IV）。

3.根据权利要求1所述的一种用于行星探测车的多功能机械臂，其特征在于所述的锁定装置（40）内设有锁栓（44）和与其连接的拨销（45），通过机械臂（10）的腕关节（16）上的左拨块（19a）和右拨块（19b）可拨动拨销（45）带动锁栓（44）转动。