CN104669243A - 一种空间抓捕用六自由度结构机械臂 - Google Patents

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本发明涉及一种空间抓捕用六自由度结构机械臂，所述机械臂主要由6个旋转驱动关节、1个末端执行器、2个臂杆、以及多个连接法兰组成，其外部采用多层隔热材料进行包覆，以对暴露在空间中的机械臂进行热防护。

Description

一种空间抓捕用六自由度结构机械臂
技术领域
本发明涉及一种空间抓捕用六自由度结构机械臂。
背景技术
空间机器机械臂可以认为是一种在航天器或空间站上作业的具有智能的特种机器人。太空机器人具有机械臂和控制系统，能实现感知、推理和决策等功能，可以象人一样在事先未知的空间环境下完成各种任务。
空间机械臂本身是一个智能机器人，具备精确操作能力和视觉识别能力，既具有自主分析能力也可由航天员进行遥控，是集机械、视觉、动力学、电子和控制等学科为一体的高端航天装备。
宇航空间机械臂可代替人在空间从事空间建筑装配、航天器维修、空间生产和科学实验等工作。
例如在太空中，为清理空间中的碎片，可以利用机械臂完成空间碎片的抓捕过程。由于太空的失重状态，空间碎片在空间中漂浮，其空间活动非常高，因而在太空中控制机械臂进行空间碎片抓捕的难度远高于在重力环境下控制机械臂运动抓取物品的难度。
因此，如何能够设计出一款能够在太空环境中完成高自由度碎片抓捕工作的空间机械臂已经成为本领域中亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于空间抓捕的六自由度结构机械臂，从而通过机械臂的抓捕方式对空间碎片进行清理。
所述机械臂为六自由度机械臂，折叠状态下机械臂包络不能超过810mm外接圆。
所述机械臂主要由底座、6个旋转驱动关节、1个末端执行器、2个臂杆组成。
对于该空间机械臂，采用多层隔热材料进行包覆，同时结合热控涂层散热的方案，在该方案中需合理设计多层隔热材料的包覆形式和包覆面积，并对散热面选用合适的热控涂料。
附图说明
现在结合附图对本发明进行描述，其中：
附图1是本发明所述空间抓捕用六自由度结构机械臂的结构三视图；
附图2为旋转关节的结构图；
附图3为旋转关节结构俯视图；
附图4为旋转关节传动关系图；
具体实施方式
参见附图1，所述机械臂主要由底座(1)、6个完全相同的旋转驱动关节(2.1～2.6)、1个末端执行器(5)、2个臂杆(3和4)组成。
所述机械臂设计在失重且自由漂浮环境下工作，因此所有旋转驱动关节的规格、尺寸和重量完全一致(一般地面机械臂的基关节尺寸、重量和负载能力最大，向末端执行器逐次递减)，降低了机械臂的质量。
所述机械臂完全伸展长度不小于2m，折叠状态下外包络不超过直径810mm的外接圆，可以由小型的航天器搭载。
所述机械臂通过底座(B)安装在某太空飞行器的载荷舱板外；旋转关节(J.1)的输出端法兰与底座(B)连接，构成机械臂的第一个自由度；旋转关节(J.2)的输出端法兰与旋转关节(J.1)的固定端法兰连接，固定端法兰与长臂杆(LL)连接，构成机械臂的第二个自由度；旋转关节(J.3)的固定端法兰与长臂杆(LL)连接，构成机械臂的第三个自由度；旋转关节(J.4)的固定端法兰与旋转关节(J.3)的输出端法兰连接，输出端法兰与短臂杆(SL)连接，构成机械臂的第四个自由度；旋转关节(J.5)的固定端法兰与短臂杆(SL)连接，构成机械臂的第五个自由度；旋转关节(J.6)的固定端法兰与旋转关节(J.5)的输出端法兰连接，输出端法兰与末端执行器(E)连接，构成机械臂的第六个自由度；末端执行器(E)具有三爪手指结构，适应抓捕处于漂浮状态的太空目标；末端执行器(E)上安装有外置探测相机(C)，用于对目标的精确定位；通过旋转关节J.2～J.5的锁紧法兰(F)，机械臂与载荷舱板之间可以安装爆炸锁紧装置，在机械臂随航天器被火箭发射升空的过程中起到辅助定位的作用，当航天器入轨、机械臂准备进入工作状态时，爆炸锁紧装置起爆分离，机械臂可以从折叠状态运动至任意工作所需状态。所述机械臂的所有旋转关节规格完全一致，关节与其他关节、底座、臂杆和末端执行器的连接均直接通过旋转关节自带法兰，无需额外连接结构，降低了机械臂的重量，便于批量化生产、组装和维护，降低了成本；同时，所述机械臂可以灵活调整关节、臂杆和末端执行器的组装策略，通过改变旋转关节的数量、臂杆的长度和形状、末端执行器的形式和结构，可以适应不同任务的需求。例如可以组装成5自由度或7自由度，采用不同折叠方式，使用不同末端执行器的机械臂。
其中末端执行器可根据抓捕对象进行调整，如采用三爪手指结构。
旋转关节由壳体、关节驱动器、无刷伺服电机、传动系统和传感系统组成。
如附图所示，关节驱动器收到来自通讯总线的操作控制指令，依靠来自电源母线的输入能源，驱动小型无刷伺服电机4旋转，经传动系统三级减速后输出所需的低转速、高扭矩运动，并通过传感器系统提供高可靠性的速度环、位置环、力矩环三层闭环控制。如图所示，该关节驱动器1在图示实施例中位于旋转关节的下方，置于旋转壳体9的主轴线上。
如图2、3所示，所述壳体包括旋转壳体9和固定壳体13。其中旋转壳体9提供旋转关节的对外输出端法兰15，固定壳体13提供旋转关节固定端法兰16。固定壳体13为L形剖面，固定端法兰16位于关节主轴线(旋转壳体轴线)侧方，从而使输出端法兰15与固定端法兰16垂直。旋转壳体9和固定壳体13之间通过减磨垫圈动密封，与图示中位于旋转关节下方的关节驱动器1的外壳体共同构成整个旋转壳体的外壳，外表面经抗辐照涂覆处理，外包覆一层轻量的热防护层，为整个旋转关节提供初级的密封、热防护、辐射防护和主要的撞击防护。
所述关节驱动器1为小体积高密度集成式运动伺服驱动控制器，集成有高性能无刷伺服控制单元、直流电机驱动单元、温度控制单元和过载保护单元，拥有独立的空间环境防护。
所述无刷伺服电机4为小型空心杯正弦波无刷伺服电机，功率密度高，动态特性和低速控制性能好，拥有独立的空间环境防护。在图示所示实施例中，无刷伺服电机4置于旋转壳体9中，位于与固定壳体13相对的一侧，其输入端依次设置有霍尔元件3和旋转变压器2。所述无刷电机4与行星齿轮箱5，霍尔元件3和旋转变压器2串联集成，共同吊装于主固定安装板14上。主固定安装板14与固定壳体13固定连接。
所述传动系统为高传动比、高密度、高刚性、小间隙的三级传动系统，由行星齿轮减速箱5，偏置齿轮传动6，中空主轴10和谐波齿轮减速器7组成，具备适应高低温真空环境和复杂力学环境的特殊设计，并为关节提供了偏置式中空结构。其中行星齿轮减速箱5与无刷伺服电机4的输出端轴向连接，将电机的输出运动提供一级减速。行星齿轮减速箱5的输出端与壳体中偏置齿轮传动6的输入端轴向连接，形成二级减速并构成电机偏置结构。如图示所示实施例中，行星齿轮减速箱5与电机4同偏置于旋转壳体轴线外侧(与固定壳体13相对一侧)。此外，行星齿轮减速箱5为带高刚性陶瓷轴承的陶瓷基齿轮氟基脂润滑密封式减速箱，偏置齿轮传动6为复合材料无润滑开式齿轮传动。中空主轴10提供了线缆的中空走线孔。谐波齿轮减速器7为带高刚性陶瓷交叉滚子轴承的分离式氟基脂润滑密封式谐波减速器，提供高刚性无间隙的三级传动。所述行星齿轮箱5，偏置齿轮传动6和谐波减速器7均安装于主固定安装板14上。
所述传感系统为高可靠性物理冗余的复合传感系统，为关节驱动器提供速度环、位置环和力矩环三环控制反馈信号，包括旋转变压器2，霍尔元件3，力矩传感器8和旋转电位计12，所有传感器均拥有独立的空间环境防护。其中，速度检测环节以与电机4同轴的旋转变压器2为主要检测手段，霍尔元件3作为备份检测手册。绝对位置检测环节以旋转变压器2经积分后的数据为主要检测手段，以经过偏置于旋转壳体9中(如图示实施例所示的位于无刷电机4相对一侧)的环形齿轮组11测量旋转壳体9转动角度的旋转电位计12作为备份检测手段和意外断电后的数据调零手段。力矩检测环节以与旋转关节主轴同轴力矩传感器8作为主要检测手段，以关节驱动器过载保护单元的数据作为备份检测手段。
此外，所述空间机械臂外部可采用多层隔热材料进行包覆，以对暴露在空间中的机械臂进行热防护。并可结合热控涂层散热的方案，合理设计多层隔热材料的包覆形式和包覆面积，并对散热面选用合适的热控涂层。

Claims (9)

1.一种空间抓捕用六自由度结构机械臂，其主要由6个旋转驱动关节、1个末端执行器、2个臂杆、以及多个连接法兰组成。 
2.根据权利要求1所述的空间抓捕用六自由度结构机械臂，所述机械臂在折叠状态下机械臂包络不能超过810mm外接圆。 
3.所述机械臂通过底座(B)安装在某太空飞行器的载荷舱板外；旋转关节(J.1)的输出端法兰与底座(B)连接，构成机械臂的第一个自由度；旋转关节(J.2)的输出端法兰与旋转关节(J.1)的固定端法兰连接，固定端法兰与长臂杆(LL)连接，构成机械臂的第二个自由度；旋转关节(J.3)的固定端法兰与长臂杆(LL)连接，构成机械臂的第三个自由度；旋转关节(J.4)的固定端法兰与旋转关节(J.3)的输出端法兰连接，输出端法兰与短臂杆(SL)连接，构成机械臂的第四个自由度；旋转关节(J.5)的固定端法兰与短臂杆(SL)连接，构成机械臂的第五个自由度；旋转关节(J.6)的固定端法兰与旋转关节(J.5)的输出端法兰连接，输出端法兰与末端执行器(E)连接，构成机械臂的第六个自由度；末端执行器(E)具有三爪手指结构，适应抓捕处于漂浮状态的太空目标；末端执行器(E)上安装有外置探测相机(C)，用于对目标的精确定位；通过旋转关节(J.2～J.5)的锁紧法兰(F)，可以在机械臂与载荷舱板之间安装爆炸锁紧装置。 
4.根据权利要求1所述的空间抓捕用六自由度结构机械臂，所述旋转关节由壳体、关节驱动器、无刷伺服电机、传动系统和传感系统组成； 
所述壳体包括旋转壳体(9)和固定壳体(13)，旋转壳体(9)和固定壳体(13)之间通过减磨垫圈动密封； 
所述关节驱动器为小体积高密度集成式运动伺服驱动控制器，集成有高性能无刷伺服控制单元、直流电机驱动单元、温度控制单元和过载保护单元，拥有独立的空间环境防护； 
无刷伺服电机(4)置于旋转壳体(9)中，位于与固定壳体(13)相对的一侧，其输入端依次设置有霍尔元件(3)和旋转变压器(2)；所述无刷电机(4)与行星齿轮箱(5)，霍尔元件(3)和旋转变压器(2)串 联集成，共同吊装于主固定安装板(14)上。主固定安装板(14)与固定壳体(13)固定连接； 
所述传动系统为高传动比、高密度、高刚性、小间隙的三级传动系统，由行星齿轮减速箱(5)，偏置齿轮传动(6)，中空主轴(10)和谐波齿轮减速器(7)组成，其中行星齿轮减速箱(5)与无刷伺服电机(4)的输出端轴向连接； 
包括旋转变压器(2)，霍尔元件(3)，力矩传感器(8)和旋转电位计(12)，所有传感器均拥有独立的空间环境防护。 
5.根据权利要求4所述的空间抓捕用六自由度结构机械臂，所述行星齿轮减速箱(5)为带高刚性陶瓷轴承的陶瓷基齿轮氟基脂润滑密封式减速箱，偏置齿轮传动(6)为复合材料无润滑开式齿轮传动。 
6.根据权利要求4所述的空间抓捕用六自由度结构机械臂，所述谐波齿轮减速器(7)为带高刚性陶瓷交叉滚子轴承的分离式氟基脂润滑密封式谐波减速器，提供高刚性无间隙的三级传动。 
7.根据权利要求1所述的空间抓捕用六自由度结构机械臂，所述末端执行器为三爪手指结构。 
8.根据权利要求1所述的空间抓捕用六自由度结构机械臂，其外部采用多层隔热材料进行包覆，以对暴露在空间中的机械臂进行热防护。 
9.根据权利要求1所述的空间抓捕用六自由度结构机械臂，所述机械臂可以安装为五自由度或七自由度。 
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