CN104276291A - 一种刚柔结合的小行星表面作业辅助机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了刚柔结合的小行星表面作业辅助机构，包括机架、设置在机架上的伸缩装置以及使伸缩装置实现伸缩运动的驱动装置，伸缩装置包括刚性伸缩机构和柔性伸缩机构，刚性伸缩机构为伸缩套筒机构，该伸缩套筒机构包括固定套筒和至少一个设置在固定套筒内的活动套筒；柔性伸缩机构为卷簧机构；驱动装置包括驱动电机以及通过驱动电机驱动的驱动链轮，在卷簧中部设置有驱动孔，该驱动孔与驱动链轮的链齿配合，在机架上还设置有用于预紧和支撑的由一对轴承构成的导向机构，卷簧从所述一对轴承的中间穿过。本发明结合刚性机构强度大和柔性机构易伸缩的优点，有效降低了单纯刚性机构的大体积和高复杂度，以及柔性机构强度低的难题。

Description

一种刚柔结合的小行星表面作业辅助机构

技术领域

本发明涉及机械学、机器人技术、外星球探测、小行星探测，特别涉及一种刚柔结合的小行星表面作业辅助机构。

背景技术

小行星表面的物质成分含有太阳系形成的证据，以及地球生命起源的秘密，因此具有很重要的科学研究价值；小行星表面还有大量纯度极高的稀有金属，甚至含有维持生命重要的物质水，其可以用于深空探测中航天员生命保障系统的补给等；一些近地小行星还有撞击地球的风险，引起了许多国家的广泛关注。小行星研究的科学价值、资源经济价值，以及其可能毁灭人类文明的风险使得美国、日本、俄罗斯、欧盟、中国等国家已经开始了许多观测和深入研究的项目。小行星表面着陆、采样和返回探测目前是研究的热点，而且面临很多难题，其中小行星表面微重力环境下的行走和作业是一个难点，缺乏合适的辅助机构帮助机器人或航天员在小行星表面运动并完成作业和返回任务。

本发明专利提出将多节可伸缩套筒的抗弯高强度和可伸缩柔性卷簧机构的体积小、质量轻、结构简单的优点结合，实现一种新型的刚柔结合的小行星表面作业辅助机构，可以克服多节套筒独立伸缩驱动的复杂度和系统质量，以及柔性卷簧机构刚度低的问题。本发明刚柔结合的作业辅助机构可有效增大机器人或航天员在小行星表面作业的范围，并可用于对系统质量、复杂度、刚度要求等严格的多种场合中。

发明内容

技术问题  本发明所要解决的技术问题在于，克服单纯多节套筒伸缩机构驱动机构复杂、体积和质量大的问题，以及单纯柔性伸缩机构刚度低的问题，设计刚柔结合的小行星表面作业辅助机构。

技术方案  本发明的技术方案为：

一种刚柔结合的小行星表面作业辅助机构，包括机架、设置在机架上的伸缩装置以及使所述伸缩装置实现伸缩运动的驱动装置，其特征在于：所述的伸缩装置包括刚性伸缩机构和柔性伸缩机构，所述的刚性伸缩机构为伸缩套筒机构，该伸缩套筒机构包括固定套筒和至少一个设置在固定套筒内的活动套筒；所述的柔性伸缩机构为卷簧机构，该卷簧机构包括卷簧轴以及一端固定在所述卷簧轴上的卷簧，所述的固定套筒固定在所述的机架上，所述卷簧的另一端固定在所述伸缩套筒机构的最内的活动套筒上；所述的驱动装置包括驱动电机以及通过所述驱动电机驱动的驱动链轮，在所述的卷簧中部设置有驱动孔，该驱动孔与所述驱动链轮的链齿配合，在所述的机架上还设置有用于预紧和支撑的由一对轴承构成的导向机构，所述的导向机构位于所述驱动链轮的上方和下方，所述的卷簧从所述一对轴承的中间穿过。

所述的卷簧机构为两个，所述的驱动链轮为两个，所述的驱动机构还包括一主动齿轮和一从动齿轮，所述的主动齿轮固定在所述驱动电机的输出轴上，所述的从动齿轮与所述的主动齿轮啮合，所述的两个驱动链轮分别固定在所述的主动齿轮和从动齿轮上，所述两个驱动链轮分别驱动一个所述卷簧机构的卷簧。

所述的机架为内部中空，上端面开口的长方体腔体，所述的刚性伸缩机构设置在腔体的下端，所述的柔性伸缩机构设置在腔体的上端，所述的驱动机构设置在腔体内。

本发明刚柔结合的小行星表面作业辅助机构工作过程为：驱动电机正转驱动主动齿轮和从动齿轮同步转动，从而带动两个驱动链轮驱动两个卷簧机构的卷簧伸展，两个卷簧机构的同步伸展驱动刚性伸缩机构伸展，从而完成作业辅助机构的自展开，驱动电机反转可以驱动刚性伸缩机构的自收缩功能。

采用本发明的技术方案将有以下的有益效果：

（1）本发明采用驱动电机带动卷簧上下运动，通过卷簧的运动牵引刚性伸缩机构的伸缩，同时，柔性伸缩机构的卷簧也起到了弹性支撑和缓冲作用，使得本发明具有了抗弯强度大、易伸缩、体积质量小、复杂度低等优点，有效解决了单纯刚性展开机构的体积大和复杂度高的问题，以及柔性展开机构抗弯强度低的难题。

（2）本发明所设计刚柔结合的小行星表面作业辅助机构，可以扩大机器人和航天员的行走和作业范围，并提供其作业所需要的支撑力，本发明作业辅助机构也可以广泛应用于各种对系统质量、体积、复杂度等要求较高的场合。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图一。

图2是本发明实施例的整体结构示意图二。

图3是本发明实施例的整体结构俯视图。

图4是本发明实施例的机架三视图。

图5是本发明实施例的刚性伸缩机构示意图。

图6是本发明实施例的柔性伸缩机构透视示意图一。

图7是本发明实施例的柔性伸缩机构示意图二。

图8是本发明实施例的柔性伸缩机构剖视图。

图9是本发明实施例的驱动机构三视图。

图10是本发明实施例的驱动机构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的工作原理和工作过程作进一步详细说明。

实施例：参照图1、图2、图3和图4，一种刚柔结合的小行星表面作业辅助机构由机架1、伸缩装置和驱动机构4组成。其中伸缩装置包括刚性伸缩机构2和柔性伸缩机构3。机架1为内部中空，上端面开口的长方体腔体，其上设置有用于安装刚性伸缩机构2、柔性伸缩机构3和驱动机构4的螺纹孔、轴孔，以及柔性伸缩机构3伸缩运动的槽孔。

参照图1、图3和图5，刚性伸缩机构2包括固定套筒和至少一个活动套筒，在本实施例中，伸缩套筒机构包括由第一套筒2-1形成的固定套筒，和第二套筒2-2、第三套筒2-3和第四套筒2-4形成的活动套筒，第一套筒2-1后端通过螺丝孔固接在机架1下端面上，第二套筒2-2后端与第一套筒2-1前端套接，第三套筒2-3后端与第二套筒2-2前端套接，第四套筒2-4后端与第三套筒2-3前端套接，第四套筒2-4第三套筒2-3中伸展出来和收缩进去，第三套筒2-3第二套筒2-2中伸展出来和收缩进去，第二套筒2-2第一套筒2-1中伸展出来和收缩进去，因此四根套筒可以依次伸出使机构伸展开来，也可以依次收回使机构收缩起来。

参照图1、图2、图6、图7和图8，柔性伸缩机构3为卷簧机构，包括左卷簧盒3-1、左卷簧轴3-2、左卷簧3-3、右卷簧盒3-4、右卷簧轴3-5和右卷簧3-6，左卷簧盒3-1通过螺丝固定在机架左上部表面，左卷簧轴3-2固定在左卷簧盒3-1内部前后壁的中间位置，左卷簧3-3一端固定在左卷簧轴3-2上，并在左卷簧轴3-2上卷绕，左卷簧3-3另一端伸出左卷簧盒3-1下端面的槽孔并从四根套筒中间偏左穿过，固定在第四套筒2-4前端面上，左卷簧3-3中间位置设置有一排驱动孔，用于驱动左卷簧3-3的伸展和收缩，右卷簧盒3-4通过螺丝固定在机架右上部表面，右卷簧轴3-5固定在所述的右卷簧盒3-4内部前后壁的中间位置，右卷簧3-6一端固定在右卷簧轴3-5上，并在右卷簧轴3-5上卷绕，右卷簧3-6另一端伸出右卷簧盒3-4下端面的槽孔并从四根套筒中间偏右穿过，固定在第四套筒2-4前端面上，右卷簧3-6中间位置也设置有一排驱动孔，用于驱动右卷簧3-6的伸展和收缩。

参照图1、图2、图3、图7、图8、图9和图10，驱动机4包括驱动电机4-1、左齿轮4-2、左链轮4-3、左一轴承轴4-4、左二轴承轴4-5、左三轴承轴4-6、左四轴承轴4-7、左一轴承4-8、左二轴承4-9、左三轴承4-10、左四轴承4-11、右齿轮轴4-12、右齿轮4-13、右链轮4-14、右一轴承轴4-15、右二轴承轴4-16、右三轴承轴4-17、右四轴承轴4-18、右一轴承4-19、右二轴承4-20、右三轴承4-21和右四轴承4-22，驱动电机4-1固定在机架1后端面外侧面上，电机轴深入到机架腔体内部，并从机架1前端面伸出，左齿轮4-2和左链轮4-3依次固定在驱动电机输出轴上，并位于机架腔体内部，左链轮4-3与左卷簧3-3啮合，用于驱动左卷簧3-3的伸展收缩，左一轴承轴4-4和左二轴承轴4-5安装在机架1前后端面之间靠上部位置，左三轴承轴4-6和左四轴承轴4-7安装在机架1前后端面之间靠下部位置，左一轴承4-8和左二轴承4-9分别安装在左一轴承轴4-4和左二轴承轴4-5上，左一轴承4-8和左二轴承4-9之间留有空隙，左三轴承4-10和左四轴承4-11分别安装在左三轴承轴4-6和左四轴承轴4-7上，左三轴承4-10和左四轴承4-11之间也留有空隙，左卷簧3-3穿过所述的左一轴承4-8和左二轴承4-9之间的空隙，并穿过左三轴承4-10和左四轴承4-11之间的空隙，左一轴承4-8、左二轴承4-9、左三轴承4-10和左四轴承4-11为所述的左卷簧3-3的伸缩运动提供预紧和支撑作用，右齿轮轴4-12安装在机架1前后端面之间，可以相对机架1转动，右齿轮4-13固定在右齿轮轴上，并与左齿轮4-2啮合，右链轮4-14固定在右齿轮轴4-12上，与左链轮4-3左右对称设置，并与右卷簧3-6啮合，驱动其实现伸缩运动，右一轴承轴4-15、右二轴承轴4-16、右三轴承轴4-17、右四轴承轴4-18、右一轴承4-19、右二轴承4-20、右三轴承4-21和右四轴承4-22与所述的左一轴承轴4-4、左二轴承轴4-5、左三轴承轴4-6、左四轴承轴4-7、左一轴承4-8、左二轴承4-9、左三轴承4-10和左四轴承4-11在机架1左右对称设置，用于提供右卷簧3-6伸缩运动的预紧和支撑力。

参照图1、图2、图3、图9、图10，刚柔结合的小行星表面作业辅助机构工作过程为：驱动电机4-1正转驱动左齿轮4-2和左链轮4-3同步转动，左链轮4-3驱动左卷簧3-3伸展，右齿轮4-13与左齿轮4-2同步反转，右链轮4-14与右齿轮4-13同步转动，带动右卷簧3-6伸展，左卷簧3-3和右卷簧3-6的同步伸展驱动刚性伸缩机构2的伸展，从而完成作业辅助机构的自展开，驱动电机4-1反转可以驱动作业辅助机构实现自收缩功能。

Claims (3)

1.一种刚柔结合的小行星表面作业辅助机构，包括机架、设置在机架上的伸缩装置以及使所述伸缩装置实现伸缩运动的驱动装置，其特征在于：所述的伸缩装置包括刚性伸缩机构和柔性伸缩机构，所述的刚性伸缩机构为伸缩套筒机构，该伸缩套筒机构包括固定套筒和至少一个设置在固定套筒内的活动套筒；所述的柔性伸缩机构为卷簧机构，该卷簧机构包括卷簧轴以及一端固定在所述卷簧轴上的卷簧，所述的固定套筒固定在所述的机架上，所述卷簧的另一端固定在所述伸缩套筒机构的最内的活动套筒上；所述的驱动装置包括驱动电机以及通过所述驱动电机驱动的驱动链轮，在所述的卷簧中部设置有驱动孔，该驱动孔与所述驱动链轮的链齿配合，在所述的机架上还设置有用于预紧和支撑的由一对轴承构成的导向机构，所述的导向机构位于所述驱动链轮的上方和下方，所述的卷簧从所述一对轴承的中间穿过。

2.根据权利要求1所述的刚柔结合的小行星表面作业辅助机构，其特征在于：所述的卷簧机构为两个，所述的驱动链轮为两个，所述的驱动机构还包括一主动齿轮和一从动齿轮，所述的主动齿轮固定在所述驱动电机的输出轴上，所述的从动齿轮与所述的主动齿轮啮合，所述的两个驱动链轮分别固定在所述的主动齿轮和从动齿轮上，所述两个驱动链轮分别驱动一个所述卷簧机构的卷簧。

3.根据权利要求1或2所述的刚柔结合的小行星表面作业辅助机构，其特征在于：所述的机架为内部中空，上端面开口的长方体腔体，所述的刚性伸缩机构设置在腔体的下端，所述的柔性伸缩机构设置在腔体的上端，所述的驱动机构设置在腔体内。