CN102689301B - 一种导轨摆臂式位置机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导轨摆臂式位置机构，包括导轨、运动单元、摆臂关节、摆臂和末端关节，其中导轨与运动单元连接，且运动单元可以沿导轨上下移动，摆臂关节包括水平轴和竖直轴，其中摆臂关节在运动单元内置的第一驱动单元的驱动作用下，绕竖直轴的轴线转动，从而带动摆臂扫取扇面，水平轴与摆臂连接，在摆臂关节内置的第二驱动单元的驱动作用下，摆臂绕水平轴的轴线转动，末端关节嵌入在摆臂的另一端，末端关节用于连接末端执行机构，并驱动末端执行机构绕末端关节的轴线转动，该位置机构刚度高，灵活性好，控制方式非常简单，可用于完成目前常用的四自由度两级空间机械臂的任务，具有广阔的应用范围，地外星体浅层土壤取样装置就是其典型应用之一。

Description

一种导轨摆臂式位置机构

技术领域

本发明涉及一种导轨摆臂式位置机构，属于深空探测技术领域和航天器机构技术领域。

背景技术

美国先后在Surveyor(勘测者)月球探测任务、Viking(海盗)和Phoenix(凤凰)火星探测任务中使用浅层土壤取样装置对星体土壤进行取样作业。这三种取样装置的位置机构都具有一些不足之处，例如：Surveyor取样装置的伸缩臂铰链过多，结构较复杂，刚度较低，导致铲子对土壤的作用力也较小；Viking取样装置的伸缩臂结构较复杂，灵活性不足，工作范围有限，收拢后的体积仍较大；Phoenix取样装置的四自由度两级空间机械臂传力路径较长，刚度较低，对土壤的作用力较小，控制技术难度也比较大。以上任务中取样装置位置机构存在的不足之处都会对星体浅层土壤取样任务的可靠性造成不良影响。

发明内容

本发明的上述目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种导轨摆臂式位置机构，该位置机构刚度高，灵活性好，控制方式非常简单，可用于完成目前常用的四自由度两级空间机械臂的任务，具有广阔的应用范围，地外星体浅层土壤取样装置就是其典型应用之一。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种导轨摆臂式位置机构，包括导轨、运动单元、摆臂关节、摆臂和末端关节，其中导轨与运动单元连接，且运动单元可以沿导轨上下移动，摆臂关节包括水平部分和竖直部分，在运动单元内置的第一驱动单元的驱动作用下，摆臂关节绕竖直部分的轴线转动，从而带动摆臂绕竖直部分的轴线转动，水平部分与摆臂连接，在摆臂关节内置的第二驱动单元的驱动作用下，水平部分绕自身轴线转动并带动摆臂绕水平部分的轴线转动，末端关节嵌入在摆臂远离摆臂关节的另一端，末端关节用于连接末端执行机构，并驱动末端执行机构绕末端关节(9)的轴线转动。

在上述导轨摆臂式位置机构中，运动单元沿导轨上下移动的实现方式有通过齿轮齿条传动机构、同步带传动机构、丝杠传动机构或钢丝绳缠绕加载机构。

在上述导轨摆臂式位置机构中，摆臂关节在运动单元内置的第一驱动单元的驱动作用下，绕竖直部分的轴线转动，并带动摆臂绕竖直部分的轴线转动的角度范围大于120°。

在上述导轨摆臂式位置机构中，摆臂关节带动摆臂绕竖直部分的轴线转动的方式，为电机及减速机构驱动的在任意角度工作的连续方式，或者为间歇运动机构驱动的在若干个指定角度工作的不连续方式。

在上述导轨摆臂式位置机构中，在摆臂关节内置的第二驱动单元的驱动作用下，水平部分绕自身轴线转动并带动摆臂绕水平部分的轴线转动的角度范围大于270°。

在上述导轨摆臂式位置机构中，末端关节驱动末端执行机构绕末端关节轴线进行360°范围的转动。

本发明与现有技术相比的有益效果如下：

(1)本发明导轨摆臂式位置机构通过导轨和运动单元组件、摆臂关节、末端关节的联动实现末端执行机构的运动，机构各自由度之间的耦合大大减小，控制算法也大大简化，因此控制方式非常简单；

(2)本发明导轨摆臂式位置机构运动单元在导轨上的移动可以实现垂直于导轨的不同作业面之间的转换，使臂杆数量只有一个，且长度大大减少，但位置机构的灵活性几乎不受影响，且刚性获得较大的改善，因此运动精度和可靠性均有较大提高；

(3)本发明导轨摆臂式位置机构可用于完成目前常用的四自由度两级空间机械臂的任务，尤其适合用于地外星体浅层土壤取样装置，具有较广的应用和范围；

(4)本发明导轨摆臂式位置机构中导轨及运动单元组件有多种实现形式，如：齿轮齿条传动机构、同步带传动机构、丝杠传动机构及钢丝绳缠绕加载机构等，目标是使运动单元能够在导轨上下端之间自由移动，并对运动单元在导轨上的位置进行比较精确的控制；

(5)本发明导轨摆臂式位置机构中摆臂关节带动摆臂绕竖直轴转动的角度范围大于120°，摆臂关节带动摆臂上下摆动的角度范围大于270°，末端关节可以带动各种末端执行机构进行360°范围的转动；

(6)本发明导轨摆臂式位置机构可以根据需要驱动各种类型的取样用末端执行机构，形成不同的取样装置，可以有效获得所需样品，并将样品快速准确的移送至所需位置，具有较高的可靠性，以满足不同地外星体土壤取样任务的需求；

(7)本发明导轨摆臂式位置机构也可以根据需要驱动其它非取样用的末端执行机构，形成其它类型的空间机构，以满足各种空间任务的需求；

本发明导轨摆臂式位置机构已成功的研制出了一台原理样机，并进行了大量的实验，取得了很好的效果。

附图说明

图1为本发明导轨摆臂式位置机构及使用了该位置机构的地外星体浅层土壤取样装置的示意图；

图2为本发明地外星体浅层土壤取样装置所用末端执行机构的示意图；

图3为本发明地外星体浅层土壤取样装置在地外星体着陆器上的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明导轨摆臂式位置机构及使用了该位置机构的地外星体浅层土壤取样装置的示意图，由图可知导轨摆臂式位置机构包括导轨5、运动单元6、摆臂关节7、摆臂8和末端关节9，其中导轨5与运动单元6连接，且运动单元6可以沿导轨5上下移动，导轨5及运动单元6组件主要用于产生运动单元6沿导轨5上下移动的自由度，运动单元6相对导轨5的运动可通过多种方式来实现：如齿轮齿条传动机构、同步带传动机构、丝杠传动机构及钢丝绳缠绕加载机构等，着重要保证导轨5具有足够的抗弯强度和刚度，运动单元6具有足够的牵引力且在导轨5上的位置能够得到比较精确的控制。摆臂关节7包括水平部分7a和竖直部分7b。

运动单元6内部设计有旋转驱动组件，即第一驱动单元，第一驱动单元的输出端连接摆臂关节7，可以驱动摆臂关节7绕竖直部分7b的轴线转动，并带动摆臂8绕竖直部分7b的轴线转动，转动的角度范围大于120°，绕竖直部分7b的轴线转动的方式可以为电机及减速机构等驱动的可在任意角度工作的连续方式，也可以为各种间歇运动机构驱动的在若干个指定角度工作的不连续方式。

摆臂关节7内部设计有旋转驱动组件，即第二驱动单元，第二驱动单元可驱动水平部分7a绕水平部分7a的轴线转动并带动摆臂8绕水平部分7a的轴线上下摆动，摆动角度范围大于270°，摆臂8向下可以摆动到与导轨5平行的位置，向上可以摆动到导轨5后侧的水平位置。

摆臂8远离摆臂关节7的另一端设计有旋转驱动组件，形成末端关节9，末端关节9嵌入在摆臂(8)中，可以驱动其它部件，如各种末端执行机构，绕摆臂8末端水平轴进行360°范围的转动。

在位置机构末端关节9的输出端上连接取样用末端执行机构10即可形成取样装置2，以地外星体浅层土壤取样为例，位置机构在取样装置2中的作用是带动末端执行机构10运动，以提供工作动力、实现运动规律并进行位置与刚度保持。如图3所示为本发明地外星体浅层土壤取样装置在地外星体着陆器上的安装示意图，地外星体浅层土壤取样装置2安装在着陆器3的侧面，主要任务是在地外星体表面上获得足够的土壤样品，并将其转送至位于上升器4上的样品密封封装装置1中。

导轨摆臂式位置机构共有四个自由度：运动单元6沿导轨5的上下移动，摆臂8绕竖直方向和水平方向的转动，末端关节9用于驱动各种末端执行机构的转动。

如图2所示为本发明地外星体浅层土壤取样装置所用末端执行机构的示意图，由图可知末端执行机构10由铲子11、棘轮12、样品盒13和连接分离机构14组成，以地外星体浅层土壤取样为例，末端执行机构10是取样装置2中与土壤直接作用的部分，决定了取样装置2的作业方式，以铲子11铲挖为基本和主要作业方式，棘轮12旋挖为辅助破岩方式，棘轮12固定在铲子11前端，样品盒13构成末端执行机构10上的样品临时存储空间并且能够对样品进行初级封装，连接分离机构14用于将样品盒13固定在铲子11后端，并形成土壤从铲子11进入样品盒13的通道，在样品转送时，可以使经过初级封装的样品脱离末端执行机构10，进入上升器4上的样品密封封装装置1，如图3所示。

样品盒13为筒形结构，入口处设置有单向机构和封口机构，单向机构用于防止取样过程中样品盒13内的土壤流出，封口机构用于样品盒13分离时防止盒内的土壤样品飞溅出来污染上升器4上的样品密封封装装置1的密封面。

摆臂8的长度可根据任务的不同灵活调节，如图3，在地外星体浅层土壤取样装置中摆臂8长度确定的原则为：运动单元6上升到导轨5上端，末端执行机构10转至样品盒13轴线与摆臂8垂直，摆臂8回摆至水平位置时，样品盒13能正好与上升器4上的样品密封封装装置1对正。

本发明导轨摆臂式位置机构与图2中末端执行机构10组成的取样装置工作过程如下：

(1)起始准备阶段，位置机构各部件协调运动，将末端执行机构10置于星体表面附近，准备进行获取土壤的作业；

(2)获取土壤阶段，位置机构通过运动单元6沿导轨5的上下移动，内置在运动单元6内的第一驱动单元和内置在摆臂关节7内的第二驱动单元对摆臂8的旋转驱动，以及末端关节9对末端执行机构10的旋转驱动，使末端执行机构10使用铲挖和棘轮旋挖两种取样作业方式获取足够多的土壤样品，完成标志是末端执行机构10后部的样品盒13盛满样品；

(3)样品转运阶段，位置机构在几个关节协调运动的作用下，将盛满土壤样品的末端执行机构10带至上升器4的样品密封封装装置1上方并与之对正；

(4)样品转送阶段，主要任务是将样品从末端执行机构10上转送到上升器4上的样品密封封装装置1中，即将末端执行机构10上的样品盒13分离，使样品盒13整体进入样品密封封装装置1中，并将样品盒13机械锁定；

(5)避让阶段，样品转送完成后，位置机构驱动末端执行机构10的其它部分(包括铲子11、棘轮12和连接分离机构14)向着陆器3外侧摆动，以避免在上升器4起飞时发生碰撞干涉。

以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种导轨摆臂式位置机构，其特征在于：包括导轨(5)、运动单元(6)、摆臂关节(7)、摆臂(8)和末端关节(9)，其中导轨(5)与运动单元(6)连接，且运动单元(6)可以沿导轨(5)上下移动，摆臂关节(7)包括水平部分(7a)和竖直部分(7b)，在运动单元(6)内置的第一驱动单元的驱动作用下，摆臂关节(7)绕竖直部分(7b)的轴线转动，从而带动摆臂(8)绕竖直部分(7b)的轴线转动，水平部分(7a)与摆臂(8)连接，在摆臂关节(7)内置的第二驱动单元的驱动作用下，水平部分(7a)绕自身轴线转动并带动摆臂(8)绕水平部分(7a)的轴线转动的角度范围大于270°，末端关节(9)嵌入在摆臂(8)远离摆臂关节(7)的另一端，末端关节(9)用于连接末端执行机构，并驱动末端执行机构绕末端关节(9)的轴线转动；所述摆臂关节(7)带动摆臂(8)绕竖直部分(7b)的轴线转动的方式，为电机及减速机构驱动的在任意角度工作的连续方式，或者为间歇运动机构驱动的在若干个指定角度工作的不连续方式。

2.根据权利要求1所述的一种导轨摆臂式位置机构，其特征在于：所述运动单元(6)沿导轨(5)上下移动的实现方式有通过齿轮齿条传动机构、同步带传动机构、丝杠传动机构或钢丝绳缠绕加载机构。

3.根据权利要求1所述的一种导轨摆臂式位置机构，其特征在于：所述摆臂关节(7)在运动单元(6)内置的第一驱动单元的驱动作用下，绕竖直部分(7b)的轴线转动，并带动摆臂(8)绕竖直部分(7b)的轴线转动的角度范围大于120°。

4.根据权利要求1所述的一种导轨摆臂式位置机构，其特征在于：末端关节(9)驱动末端执行机构绕末端关节(9)轴线进行360°范围的转动。