CN102423882A

CN102423882A - 一种用于行星探测的机械臂锁定装置

Info

Publication number: CN102423882A
Application number: CN2011103133270A
Authority: CN
Inventors: 张冰蔚; 刘冠军; 刘杰
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN102423882B

Abstract

本发明公开了一种用于行星探测机械臂的锁定装置，由支架、托架、锁栓盘、锁栓、拨销、锁销、定位机构组成。本发明的锁定装置是通过锁栓盘、锁栓、锁销等机械结构，并利用机械臂挖勺处关节的转动，实现了机械臂保持三角形稳定构形状态下的可靠锁定。本发明的锁定装置在锁定状态下不仅不消耗电能，而且还消除了机械臂在锁定状态产生移动的可能性，从而提高了机械臂锁定的可靠性，实现了桅杆与机械臂合二为一、减轻重量、节约能耗的目的。

Description

一种用于行星探测的机械臂锁定装置

技术领域

本发明涉及一种锁定机构，尤其是一种用于行星探测机械臂的锁定装置。

背景技术

迄今为止，美国已登录火星的无人探测车或登陆器，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)、2007年的“凤凰号”(Phoenix)以及原计划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”(ZL200610134926.5)，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必须处于通电状态，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。“一种用于行星探测车的多功能机械臂”(发明专利申请号：201110137930.8)提出了一种在举升立体相机时不耗能的机械臂结构，利用三角形稳定性原理，使机械臂构成三角形稳定结构。

机械臂构成三角形稳定结构的锁定方案相对于各关节分别制动方案，大大节约了电能消耗，减轻机构重量，是一种低成本的简洁有效方案，实现的关键是锁定机构的可行性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于行星探测的机械臂锁定装置，用于将桅杆与机械臂合二为一时提供一种将机械臂构成三角形稳定结构的可靠锁定。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种用于行星探测的机械臂锁定装置，包括支架1、托架2、锁栓盘3、锁栓5、拨销4、锁销6、定位机构10。其中，所述锁栓盘3基本结构为圆盘形结构，所述支架1的上端设有一个与锁栓盘3外圆同心的矩形截面环形锁栓槽3a，并在锁栓槽3a内设有一段与环形槽同心的腰形孔3b，锁栓盘3与支架1通过定位销8与螺钉二7连成一体，并在上方加工出喇叭形锁销槽9，锁销槽9下部为半圆槽9a，两侧有锥面和斜面过渡；所述锁栓5为半圆环形，截面与锁栓盘3的锁栓槽3a相同，在锁栓5上的孔内装有拨销4，拨销4通过腰形孔3b伸出；所述锁销6与机械臂前臂11端部的支架16固连，锁销6中部为圆柱面6a，直径与喇叭形锁销槽9的半圆槽9a相同，与锁销6圆柱面相邻两侧为圆锥面6b，当机械臂处于锁定状态时，锁销6位于喇叭形锁销槽9底部的半圆槽9a内；所述拨销4可由安装于耳盘17上的两个拨块18分别拨动沿腰形孔3b顺时针和逆时针转动，耳盘17由减速电机14通过谐波减速器15驱动并与挖勺16连接。

另外，所述定位机构10由钢珠10a、弹簧10b、法兰套10c组成，安装于支架1一侧的孔内，通过螺钉三10d固定；所述锁栓5的外圆面设有两个定位锥孔5b，其相距角度与锁栓5对喇叭形锁销槽9开锁与闭锁位置的转角相对应，钢珠10a在锁栓5开锁和闭锁位置通过弹簧10b的作用下顶入锁栓5的定位锥孔5b内。

另外，所述托架2设有分布于支架1左右两侧带圆弧槽的左托槽2a和右托槽2b，托槽的圆弧半径稍大于机械臂圆管直径，两托槽的间距与机械臂折起时前后臂间距相同，托架2与支架1通过螺钉一2c连接。

本发明的有益效果主要是：

1、本发明提供一种在锁定状态下不消耗电能机械臂锁定方案，其原理是依靠机械结构消除机械臂在锁定状态产生移动的可能性，从而实现桅杆与机械臂合二为一、减轻重量、节约能耗的目的。

2、利用机械臂挖勺处关节的辅助转动，分别由两个拨块拨动拨销带动锁栓在锁栓槽内转动而封住锁销出口，防止在受颠簸状态造成锁定不可靠，

3、设置了定位机构保持锁定状态的稳定性。

附图说明

附图1是本发明的立体外观视图；

附图2是图1的正视图；

附图3是图2的右视图；

附图4是图3的俯视图；

附图5是机械臂在锁定状态的外观立体图。

图中：1、支架，1a、腰形孔，2、托架，2a、左托槽，2b、右托槽，2c、螺钉一，3、锁栓盘，3a、锁栓槽，3b、腰形孔，4、拨销，5、锁栓，5a、栓头，5b、定位锥孔，5c、栓尾，6、锁销，6a、圆柱面，6b、圆锥面，6c、螺钉孔，6d、销轴，7、螺钉二，8、定位销，9、锁销槽，9a、半圆槽，10、定位机构，10a、钢珠，10b、弹簧，10c、法兰套，10d、螺钉三，11、前臂，12、法兰管套，13、支座，14、减速电机，15、谐波减速器，16、挖勺，17、耳盘，18、拨块。

具体实施方式

下面以本发明用于行星探测的机械臂的锁定装置为实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实例应用背景参见“一种用于行星探测车的多功能机械臂”(发明专利申请号：201110137930.8)。

图1为本发明外观立体图，装置由支架1、托架2、锁栓盘3、锁栓5、拨销4、锁销6、定位机构10等组成。其中，锁销6通过其一端的销轴6d和螺钉孔6c与机械臂前端支座连接(图5)，托架2用于机械臂收起状态时的支撑，支架1提供锁定装置和托架2的支撑及安装，并与锁栓盘3合并后加工出喇叭形锁销槽9，支架1与托架2合成一体，有益于简化机构和减轻重量。

图2为图1带局部剖视的正视图，图中显示了锁栓5、锁栓盘3、定位机构10的结构和工作原理。锁栓5安装于锁栓盘3的锁栓槽3a内，锁栓5与拨销4销接，拨销4伸出腰形孔3b外，可通过外部拨块18拨动拨销4使锁栓5在锁栓槽3a内转动，腰形孔3b限制拨销4及锁栓5的转动范围，拨销4在腰形孔3b中的两端对应锁栓5相对于喇叭形锁销槽9的开锁和闭锁位置。图中锁栓5的实线位置为对锁销6的闭锁状态，虚线部分为栓头5a和栓尾5c对应锁销6的开锁位置。图中A为锁销6随机械臂进出锁定位置的轨迹方向，B为锁栓开锁和入锁的转动轨迹方向。锁栓盘3、锁栓5和锁栓槽3a的圆心与定位销8中心重合，锁销槽9底部的半圆槽9a中心位于锁栓5回转中心的右上方位置，当锁销6处于半圆槽9a内时，通过拨销4可带动锁栓5转动使栓头5a伸出将锁销6的圆柱面6b压住，封住锁销6的出口，从而实现锁销6的可靠锁定。

图3为图2的右视图并对锁栓盘3位置进行了局部剖视，锁销6中部为圆柱面6b，两侧为圆锥面6a，通过锁销6一端设置的圆柱销6d和螺钉孔6c与机械臂前臂11端部的支座定位安装，锁销6的圆柱面6b与喇叭形锁销槽9下部的半圆槽9a配合，实现与锁销6轴线垂直平面内的定位，锁销6两侧的圆锥面6a实现锁销6对锁栓盘3及支架1在锁销6轴线方向的定位。

图4为锁定装置在锁销6进入锁销槽9后锁栓5处于开锁时的状态，支架1下端安装面设有四个腰形安装孔，便于微量调整安装位置，

图5为机械臂进入锁定状态的立体视图，图中显示了机械臂前臂11、法兰管套12、支座13、驱动腕部关节的减速电机14、谐波减速器15、挖勺16、耳盘17、拨块18的布局结构及与锁定装置的位置关系。机械臂的前臂11通过法兰管套12与支座13连接，支座为U形结构，一端与锁销6连接，并提供耳盘17的旋转支撑，另一端安装减速电机14，并通过谐波减速器15降速及放大扭矩驱动耳盘17转动，耳盘17的外侧设有两个拨块18(一个被遮挡)，并于挖勺相连。

整个锁定装置的功能就是对机械臂的腕部关节(即挖勺处关节)进行可靠锁定，包括锁定状态和开锁状态，进锁是机械臂从采样或收起状态进入锁定状态的过程，出锁是机械臂脱离锁定状态转为实施采样或转为收起状态的过程。

机械臂进锁与出锁过程如下：

入锁前，通过对机械臂各关节电机的控制，使机械臂腕部支座13上的锁销6位于锁定装置的锁销槽9上方，同时，位于机械臂腕部的挖勺17应转到合适角度，使拨块18处于正确位置(避免进入时与拨销4相碰)，当锁销6下行进入锁销槽9底部的半圆槽9a后，通过减速电机14的旋转带动耳盘17上的拨块18拨动拨销4转动，使锁栓5的栓头5a伸出对锁销6实施锁定。

出锁时，电机反向转动通过另一拨块拨动拨销4带动锁栓5的栓头5a退入锁栓槽3a内。为避免锁销6随机械臂脱离锁定位置时，拨块18与拨销4相碰，应将拨块18随耳盘17再转一定角度(与进锁时转向相同)，使拨块18与拨销4脱离，以便锁销6顺利出锁。不论锁栓5在锁定和非锁定位置，均由定位机构10的钢珠10a在弹簧10a作用下分别顶入锁栓5的两个定位锥孔5b，实现锁栓5的状态保持，当拨动锁栓5转动时，通过减速电机14提供的扭矩克服弹簧10b推力将钢珠10a顶出定位锥孔10b。

Claims

1.一种用于行星探测机械臂的锁定装置，其特征在于：包括支架(1)、托架(2)、锁栓盘(3)、锁栓(5)、拨销(4)、锁销(6)、定位机构(10)，其中所述锁栓盘(3)为圆盘形结构，在与支架(1)安装面设有一个与锁栓盘(3)外圆同心的矩形截面环形锁栓槽(3a)，并在锁栓槽(3a)内设有一段与锁栓槽(3a)同心的腰形孔(3b)，锁栓盘(3)与支架(1)通过定位销(8)与螺钉二(7)连成一体，并在上方加工出喇叭形锁销槽(9)，锁销槽(9)下部为半圆槽(9a)，两侧由锥面和斜面过渡；所述锁栓(5)为半圆环形，截面与锁栓盘(3)的锁栓槽(3a)相同，在锁栓(5)上的孔内装有拨销(4)，拨销(4)通过腰形孔(3b)伸出；所述锁销(6)与机械臂前臂(11)端部的支架(13)固连，锁销(6)中部为圆柱面(6a)，直径与喇叭形锁销槽(9)的半圆槽(9a)相同，与锁销(6)圆柱面(6a)相邻两侧为圆锥面(6b)，当机械臂处于锁定状态时，锁销(6)位于喇叭形锁销槽(9)底部的半圆槽(9a)内；所述拨销(4)可由安装于耳盘(17)上的两个拨快(18)分别拨动沿腰形孔(3b)顺时针和逆时针转动，耳盘(17)由减速电机(14)通过谐波减速器(15)驱动并与挖勺(16)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于行星探测机械臂的锁定装置，其特征在于所述定位机构(10)由钢珠(10a)、弹簧(10b)、法兰套(10c)组成，安装于支架(1)一侧的孔内，通过螺钉三(10d)固定；所述锁栓(5)的外圆面设有两个定位锥孔(5b)，其相距角度与锁栓(5)对喇叭形锁销槽(9)开锁与闭锁位置的转角相对应，钢珠(10a)在锁栓(5)开锁和闭锁位置通过弹簧(10b)的作用下顶入锁栓(5)的定位锥孔(5b)内。

3.根据权利要求1所述的一种用于行星探测机械臂的锁定装置，其特征在于所述托架(2)设有分布于支架(1)左右两侧带圆弧槽的左托槽(2a)和右托槽(2b)，托槽的圆弧半径稍大于机械臂圆管直径，两托槽的间距与机械臂折起时前后臂间距相同，托架(2)与支架(1)通过螺钉一(2c)连接。