CN104677545A - 一种用于空间机械臂旋转关节的一体式力矩检测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于空间机械臂旋转关节的一体式力矩检测装置和使用了该检测装置的中空机械臂旋转关节，其中该检测装置包括弹性体(1)，敏感元件(2)，以及信号处理电路(3)，其中弹性体(1)与旋转关节轴向连接，上端直接作为旋转关节的输出端法兰，弹性体(1)一侧表面设置有环形凹槽(1a)，其中集成有敏感元件(2)和信号处理电路(3)，该力矩检测装置的电源线路与数据线路都布置在检测装置弹性体的轴向中空部分。

Description

一种用于空间机械臂旋转关节的一体式力矩检测装置

技术领域

本发明涉及一种用于空间机械臂旋转关节的一体式力矩检测装置，其主要用于对在空间中使用的中空结构的轻型机械臂的旋转关节进行扭矩检测。

背景技术

随着科技的快速发展，机械臂已经被广泛应用于各个技术领域中，代替人力完成某些机械作业活动。在航天航空领域中，由于太空的失重环境以及温差变化极大等特殊条件，模块化机械臂代替人力的作用尤为重要。为实现对机械臂操作的准确控制，通常需要通过力矩闭环反馈控制实现对旋转关节的高精度的力矩伺服控制。同时为避免因控制失误或故障对高价值航天器或空间机械臂本身造成严重损失，需要通过设置力矩检测装置对机械臂的旋转关节进行力矩保护。

对于机械臂的模块化旋转关节而言，采用中空走线结构可以减轻关节的重量并提高关节操作的可靠性。但其它领域普遍采用的安装于旋转关节输出末端的轴式或盘式力矩检测装置无法满足中空走线结构的要求。同时由于力矩检测装置中的传感器属于环境敏感元件，尤其在太空的特殊环境下，安装在空间机械臂旋转关节输出末端的力矩传感器要么直接暴露于恶劣的空间环境中，要么需要付出很大的体积和重量成本对齐进行防护，而这两种方式对旋转关节操作的可靠性和其质量控制都是非常不利的。

本发明的用于空间机械臂旋转关节的一体式力矩检测装置采用与旋转关节输出端的一体式集成设计，检测装置本身即是旋转关节的中空输出端结构，无需额外的安装结构。检测装置的敏感元件和信号处理电路集成于传感器内部并具有独立的防护结构，在提高了旋转关节操作可靠性的同时极大的节约了关节的重量。

目前国内尚无此类用于中空结构的太空用空间机械臂旋转关节的集成式力矩检测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于空间用旋转关节的一体式力矩检测装置，该力矩检测装置直接作为旋转关节的中空输出端结构，并集成有敏感元件与信号处理电路。

本发明的力矩检测装置由弹性体及内部集成的敏感元件和信号处理电路组成。弹性体直接作为旋转关节中空输出端法兰，下端与旋转关节末级传动输出端连接，上端直接作为输出端与旋转壳体连接。敏感元件检测弹性体的变形，经过信号处理电路对外输出电压信号，从而检测旋转关节的输出力矩。

附图说明

现在将结合附图对本发明进行描述，其中：

附图1、2为力矩传感器的结构图和截面图，附图3为该力矩传感器在关节中的位置图，其中：

1.弹性体，1a.弹性体表面凹槽，2.敏感元件，3.信号处理电路，4.旋转关节末级传动输出端，5.旋转壳体

具体实施方式

力矩检测装置由弹性体1和集成在内部的敏感元件2及信号处理电路3组成。如图1所示，弹性体1与旋转关节的中空输出端结构一体化集成设计，为扁平中空环形的盘式法兰结构，直接作为旋转关节的输出端法兰，从而最大程度的节约了关节的长度，并且与关节的中空走线结构相适应，减轻了关节的质量。

检测装置的供电电源母线和传输处理信号的数据总线，位于中空走线孔内部，是传感器的连接线，与位于传感器内部的信号处理电路连接，为信号处理器供电，并将出来后的信号传输回控制器，布置在关节的中空结构中得到保护，并且不会随着力矩传感器的旋转而扭转，提高了电源线和数据线对空间环境的适应性。弹性体的下端与旋转关节末级传动输出端4连接，上端直接作为输出端与旋转壳体5连接，无需额外的安装结构进行固定，并且能够得到旋转关节壳体的保护。

弹性体1一侧表面具有环形凹槽1a，其中集成有用于检测弹性体变形的敏感元件2和传输变形结果的信号处理电路3，无需对容易被干扰的弱电信号额外走线。敏感元件输出的是十分弱的信号，一般的力矩传感器，敏感元件和信号处理电路是分离的，中间通过导线连接，信号容易受到干扰，在太空中是不行的。在本发明中，敏感元件直接与信号处理电路集成在一起,是插接的,由于信号的传输距离短,被干扰的几率大为降低.敏感元件输出的弱信号经信号处理电路转换放大后，通过所述的数据线,经中空走线孔传递给控制器.信号处理电路输出的信号就不容易被干扰。传感器的对外连接线向中心孔走线，使连接线得到了关节本身的保护并且不会随着传感器的旋转而扭转。弹性体1有独立的空间环境防护，因此提高了扭矩检测的可靠性。旋转关节输出的扭矩经过弹性体1输出时，敏感元件检测到弹性体1的扭矩变形，通过信号处理电路放大为电压信号输出，从而检测到旋转关节的输出力矩。

Claims (6)

1.一种用于空间机械臂旋转关节的一体式力矩检测装置，其包括弹性体(1)，用于检测弹性体(1)扭矩变形的敏感元件(2)，以及信号处理电路(3)。

2.根据权利要求1所述的力矩检测装置，其中弹性体(1)为扁平中空环形盘式法兰结构，其与旋转关节轴向连接，从而无需额外的安装结构即可固定在旋转关节内。

3.根据权利要求1所述的力矩检测装置，其中弹性体(1)上端直接作为旋转关节的输出端法兰，其可与旋转关节的旋转壳体(5)连接，下端可与旋转关节末级传动输出端(4)连接。

4.根据权利要求1所述的力矩检测装置，其中弹性体(1)一侧表面设置有环形凹槽(1a)，在环形凹槽(1a)中集成有用于检测弹性体(1)变形的敏感元件(2)和传输变形结果的信号处理电路(3)。

5.根据权利要求1所述的力矩检测装置，其中该力矩检测装置的电源线路与数据线路都布置在检测装置弹性体的轴向中空部分，从而在敏感元件旋转时各线路不会发生扭转。

6.一种中空的空间机械臂旋转关节，其具有旋转壳体(5)和旋转关节末级传动输出端(4)，并在旋转壳体(5)的中空内部安装有如权利要求1-4所述的力矩检测装置。