CN104708638B - 一种具有动量缓冲控制功能的空间机械臂结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有动量缓冲控制功能的空间机械臂结构，目的在于缓冲与空间目标卫星接触时的碰撞动量。当空间机械臂结构执行任务时，首末两端的驱动装置实现接触目标星时的空间换向，中间的被动装置可以缓冲接触目标星后的碰撞动量，从而实现平稳精确的目标接触。驱动装置、被动装置内部都含有缓冲用的磁流变液阻尼器，确保接触目标星后，在驱动装置内部电机失电工况的状态下，能够安全、平稳的完成既定目标。本发明的主要特点为：除满足传统空间机械臂实现接触目标的功能外，还具有依靠磁流变阻尼器的可变阻尼力缓冲接触目标后带来的负能量，保证空间机械臂自身的稳定和可靠。

Description

一种具有动量缓冲控制功能的空间机械臂结构

技术领域

本发明涉及一种机器人结构，准确的说，提供一种在接触目标星后的工况中，能够依靠自身结构内部的磁流变液阻尼器缓冲负能量的空间机械臂结构，提高空间目标星接触的稳定性。

背景技术

空间机械臂是一个机、电、热、控一体化的高集成度的空间机电系统。随着我国国民经济与国防工业技术的迅速发展，对航天器的需求量日益增加，对其空间机械臂能力的要求日臻提高。尤其是多工况、条件苛刻的宇宙环境对于空间机械臂技术的需求越来越迫切，而且对其工作能力、性能要求其可靠性、安全性、寿命等方面也提出了越来越高的要求。此外，受国外在高技术领域的技术限制与封锁，使得我们必须坚持自力更生、坚持自主创新的思想，加速并加强空间机械臂技术的研发工作。

在上述大环境下，空间机械臂需要完成更高的既定任务，如：对目标星的接触，缓冲来自空间中多种碰撞下的动能量。然而，目前我国空间机械臂在这种任务要求下依然没有太好的结构解决方案。因此，空间机械臂新结构、新技术研制迫在眉睫。

发明内容

本发明解决上述已有的空间机械臂存在的不足之处，本发明作为一种应用于空间环境下接触目标星的机械臂，提供了接触式空间机械臂结构。本发明采用以下方案。

一种具有动量缓冲控制功能的空间机械臂结构，包括两个结构相同、分别装配在所述空间机械臂结构首末两端位置上的驱动装置，和一个被动装置；所述驱动装置包括轴端盖、轴承端盖、壳体A、换向锥齿轮A、驱动电机、端部连接件、回转端、旋转式磁流变液阻尼器A、轴承A、换向锥齿轮B、轴承B、传动轴、壳体B、离合器、减速器；所述驱动电机通过螺栓与所述减速器连接，所述减速器与所述离合器通过卡槽连接，所述离合器的输出轴与所述换向锥齿轮A通过平键连接，所述换向锥齿轮A的齿面与所述换向锥齿轮B的齿面贴合，所述换向锥齿轮B通过平键与所述传动轴连接，所述轴承B与所述传动轴过盈配合，所述轴承B与所述回转端过盈配合，所述轴承A与所述传动轴过盈配合，所述旋转式磁流变液阻尼器A与所述传动轴过盈配合，所述旋转式磁流变液阻尼器A与所述壳体A间隙配合，所述传动轴与所述回转端通过平键连接，所述壳体A与所述壳体B通过螺钉连接，所述回转端与所述壳体A贴合，所述回转端与壳体B贴合，所述轴承端盖通过螺丝固定在所述轴承B上，所述轴承端盖与所述回转端通过螺丝连接，所述轴承端盖与所述轴端盖通过螺丝连接，所述端部连接件与所述壳体A、所述壳体B通过螺丝连接；

所述被动装置包括连接管、端部旋转件A、伸缩内套筒、防尘罩、阻尼器伸缩杆、伸缩制动器、阻尼器复位弹簧、阻尼器基座、伸缩外套筒、法兰、回转制动器、轴承C、回转固定法兰、旋转式磁流变液阻尼器B、回转外套筒、端部旋转件B，所述连接管与所述驱动装置中的回转端通过螺栓连接，所述连接管与所述端部旋转件A通过螺栓连接，所述端部旋转件A与所述回转端贴合，所述端部旋转件A与所述伸缩内套筒通过螺丝连接，所述防尘罩通过粘合剂附着在所述伸缩内套筒表面，所述防尘罩右端与所述伸缩外套筒通过粘合剂连接，所述伸缩内套筒通过螺栓与所述伸缩外套筒内的卡槽卡合连接，所述阻尼器伸缩杆与所述阻尼器复位弹簧轴向配合，所述伸缩制动器与所述阻尼器伸缩杆过盈配合，所述阻尼器伸缩杆的右端与所述阻尼器基座间隙配合，所述阻尼器伸缩杆左端与所述伸缩内套筒内部间隙配合，所述阻尼器基座的右端与所述伸缩外套筒通过螺栓紧固配合，所述伸缩外套筒右端与所述法兰通过螺丝紧固配合，所述回转制动器与所述法兰过盈配合，所述轴承C与所述法兰过盈配合，所述轴承C端面与所述回转外套筒贴合，所述回转固定法兰通过螺丝紧固在所述回转外套筒内部，所述旋转式磁流变液阻尼器B与所述回转固定法兰在所述回转外套筒内部贴合，所述旋转式磁流变液阻尼器B外部与所述回转外套筒通过螺丝紧固配合，所述端部旋转件B左端通过螺丝与所述回转外套筒连接，所述端部旋转件B右端与所述端部连接件左端通过螺栓连接。

本发明具有以下优点：

1.结构紧凑。整个空间机械臂结构内部排布规整，功能明确，在机械臂接触目标星阶段，由驱动电机传动，从而实现关节处的换向。

2.功能可靠。空间机械臂结构在接触目标前由电机驱动，在接触目标后，电机在离合器的保护下不受损害，空间机械臂结构内部含有可实时变化的可控阻尼——磁流变液阻尼器，能够有效的缓冲来自目标星带来的的碰撞动量。

3.符合标准。空间机械臂结构的整体尺寸及功能满足当今机械臂结构技术领域中的基本要求，符合工程设计的标准。

附图说明

图1为空间机械臂结构整体装配示意图；

图2为图1中空间机械臂结构中驱动装置的装配示意图；

图3为图1中空间机械臂结构中驱动装置的零件爆炸图；

图4为图1中空间机械臂结构中被动装置的装配示意图；

图5为图1中空间机械臂结构中被动装置的零件爆炸图。

主要元件符号说明

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的空间机械臂结构的整体装配结构，包括两个结构相同、分别装配在空间机械臂结构首末位置上的驱动装置，和一个被动装置三部分；如图2、图3所示，所述驱动装置包括轴端盖101、轴承端盖102、壳体A103、换向锥齿轮A104、驱动电机105、端部连接件106、回转端107、旋转式磁流变液阻尼器A108、轴承A109、换向锥齿轮B110、轴承B111、传动轴112、壳体B113、离合器114、减速器115，所述驱动电机105依靠外接螺栓与减速器115连接，减速器115与离合器114通过内部卡槽连接，所述离合器114的输出轴与换向锥齿轮A104依靠平键连接，换向锥齿轮A104的齿面与换向锥齿轮B110的齿面贴合，所述换向锥齿轮B110依靠平键与传动轴112连接，轴承B111与传动轴112过盈配合，轴承B111与回转端107过盈配合，轴承A109与传动轴112过盈配合，所述旋转式磁流变液阻尼器A108与所述传动轴112过盈配合，所述旋转式磁流变液阻尼器A108与壳体A103间隙配合，所述传动轴112与所述回转端107依靠平键连接，所述壳体A103与所述壳体B113由螺钉连接，所述回转端107与所述壳体A103贴合，所述回转端107与所述壳体B113贴合，所述轴承端盖102与所述轴承B111过盈配合，所述轴承端盖102与所述回转端112由螺丝连接，所述轴承端盖102与所述轴端盖101由螺丝连接，所述端部连接件106与所述壳体A103、所述壳体B113依靠螺丝连接。

当空间机械臂结构接触目标星的时候，驱动装置内部由所述驱动电机105输出扭矩，经上端的所述减速器115、所述离合器114等设备，传递扭矩至所述换向锥齿轮A104，经锥齿轮系的传动，所述换向锥齿轮A104将动力传递给所述换向锥齿轮B110，所述换向锥齿轮B110带动所述传动轴112转动，所述传动轴112与所述回转端107固性连接，从而带动所述回转端107在相对于所述壳体A103、所述壳体B113做俯仰方向的运动。两个驱动装置装配在被动装置的两端，从而使得整个空间机械臂结构可以实现接触卫星换向的功能。当空间机械臂结构接触目标后，驱动装置内部的所述离合器114工作，切断电机的输出扭矩，从而保护电机等设备，其内部的所述旋转式磁流变液阻尼器开始工作，缓冲来自目标星的碰撞动能量。

如图4、图5，所述被动装置包括连接管201、端部旋转件A202、伸缩内套筒203、防尘罩204、阻尼器伸缩杆205、伸缩制动器206、阻尼器复位弹簧207、阻尼器基座208、伸缩外套筒209、法兰210、回转制动器211、轴承C212、回转固定法兰213、旋转式磁流变液阻尼器B214、回转外套筒215、端部旋转件B216。所述连接管201与所述驱动装置中的所述回转端107由螺栓连接，所述连接管201与所述端部旋转件A202由螺栓连接，所述端部旋转件A与所述回转端107贴合，所述端部旋转件A202与所述伸缩内套筒203依靠螺丝连接，所述防尘罩204由粘合剂附着在所述伸缩内套筒203外表面，所述防尘罩204右端与所述伸缩外套筒209由粘合剂连接，所述伸缩内套筒203由螺栓与所述伸缩外套筒209内的卡槽卡合连接，所述阻尼器伸缩杆205与所述阻尼器复位弹簧207轴向配合、所述伸缩制动器206与所述阻尼器伸缩杆205过盈配合，所述阻尼器伸缩杆205的右端与所述阻尼器基座208间隙配合、形成相互滑动，所述阻尼器伸缩杆205左端与所述伸缩内套筒203内部间隙配合，所述阻尼器基座208的右端与所述伸缩外套筒209依靠螺栓紧固配合，所述伸缩外套筒209右端与所述法兰210依靠螺丝紧固配合，所述回转制动器211与所述法兰210过盈配合，所述轴承C212与所述法兰210过盈配合，所述轴承C212端面与所述回转外套筒215挤压贴合，所述回转固定法兰213在所述回转外套筒215内部贴合、与所述回转固定法兰213由螺丝紧固，所述旋转式磁流变液阻尼器B214与所述回转固定法兰213在所述回转外套筒215内部挤压贴合，所述旋转式磁流变液阻尼器B214外部与所述回转外套筒215依靠螺丝紧固配合，所述端部旋转件B216左端依靠螺丝与所述回转外套筒215连接，所述端部旋转件B216右端与所述端部连接件106左端依靠螺栓连接。

当空间机械臂结构接触目标星的时候，所述回转外套筒215因其内部有滚动轴承，可相对于被动装置做旋转运动。当旋转至固定位置时，所述回转制动器211开始工作，使得所述回转外套筒215停止旋转，以至于被动装置末端连接的驱动装置定位精准，使空间机械臂实现精准接触目标星的功能。当空间机械臂结构接触目标星后，被动装置内部的所述阻尼器伸缩杆205在所述阻尼器基座208内做伸缩运动，带动所述伸缩外套筒209、伸缩内套筒203做相对伸缩运动。在运动的同时，所述旋转式磁流变液阻尼器B214同时工作，与所述阻尼器伸缩杆205、阻尼器基座208共同消耗来自目标星的碰撞动量。当接触目标星所带来的动能量被消耗殆尽时，所述阻尼器复位弹簧207依靠自身的弹簧压力，将被动装置复位至缓冲能量前的状态。

本发明的主要特点为：除了满足空间机械臂结构接触目标星的基本功能，还能够在接触任务目标星的同时，所采用的磁流变液阻尼器能够缓冲来自目标星的碰撞动量。空间机械臂结构完成任务时的功能结构分工明确，有效合理的结构布局保证了任务实施的可靠性。

本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有动量缓冲控制功能的空间机械臂结构，包括两个驱动装置和一个被动装置；所述两个驱动装置结构相同，分别装配在所述被动装置两端；其特征在于：

所述驱动装置包括轴端盖(101)、轴承端盖(102)、壳体A(103)、换向锥齿轮A(104)、驱动电机(105)、端部连接件(106)、回转端(107)、旋转式磁流变液阻尼器A(108)、轴承A(109)、换向锥齿轮B(110)、轴承B(111)、传动轴(112)、壳体B(113)、离合器(114)、减速器(115)；所述驱动电机(105)通过螺栓与所述减速器(115)连接，所述减速器(115)与所述离合器(114)通过卡槽连接，所述离合器(114)的输出轴与所述换向锥齿轮A(104)通过平键连接，所述换向锥齿轮A(104)的齿面与所述换向锥齿轮B(110)的齿面贴合，所述换向锥齿轮B(110)通过平键与所述传动轴(112)连接，所述轴承B(111)与所述传动轴(112)过盈配合，所述轴承B(111)与所述回转端(107)过盈配合，所述轴承A(109)与所述传动轴(112)过盈配合，所述旋转式磁流变液阻尼器A(108)与所述传动轴(112)过盈配合，所述旋转式磁流变液阻尼器A(108)与所述壳体A(103)间隙配合，所述传动轴(112)与所述回转端(107)通过平键连接，所述壳体A(103)与所述壳体B(113)通过螺钉连接，所述回转端(107)与所述壳体A(103)贴合，所述回转端(107)与所述壳体B(113)贴合，所述轴承端盖(102)与所述轴承B(111)过渡配合，所述轴承端盖(102)与所述回转端(107)通过螺丝连接，所述轴承端盖(102)与所述轴端盖(101)通过螺丝连接，所述端部连接件(106)与所述壳体A(103)、所述壳体B(113)通过螺丝连接；

所述被动装置包括连接管(201)、端部旋转件A(202)、伸缩内套筒(203)、防尘罩(204)、阻尼器伸缩杆(205)、伸缩制动器(206)、阻尼器复位弹簧(207)、阻尼器基座(208)、伸缩外套筒(209)、法兰(210)、回转制动器(211)、轴承C(212)、回转固定法兰(213)、旋转式磁流变液阻尼器B(214)、回转外套筒(215)、端部旋转件B(216)；所述连接管(201)与驱动装置中的所述回转端(107)通过螺栓连接，所述连接管(201)与所述端部旋转件A(202)通过螺栓连接，所述端部旋转件A(202)与所述回转端(107)贴合，所述端部旋转件A(202)与所述伸缩内套筒(203)通过螺丝连接，所述防尘罩(204)通过粘合剂附着在所述伸缩内套筒(203)外表面，所述防尘罩(204)右端与所述伸缩外套筒(209)通过粘合剂连接，所述伸缩内套筒(203)通过螺栓与所述伸缩外套筒(209)内的卡槽卡合，所述阻尼器伸缩杆(205)与所述阻尼器复位弹簧(207)轴向配合，所述伸缩制动器(206)与所述阻尼器伸缩杆(205)过盈配合，所述阻尼器伸缩杆(205)的右端与所述阻尼器基座(208)间隙配合，所述阻尼器伸缩杆(205)左端与所述伸缩内套筒(203)内部间隙配合，所述阻尼器基座(208)的右端与所述伸缩外套筒(209)通过螺栓紧固配合，所述伸缩外套筒(209)右端与所述法兰(210)通过螺丝紧固配合，所述回转制动器(211)与所述法兰(210)过盈配合，所述轴承C(212)与所述法兰(210)过盈配合，所述轴承C(212)的端面与所述回转外套筒(215)贴合，所述回转固定法兰(213)通过螺丝紧固在回转外套筒(215)内部，所述旋转式磁流变液阻尼器B(214)与所述回转固定法兰(213)在所述回转外套筒(215)内部贴合，所述旋转式磁流变液阻尼器B(214)外部与所述回转外套筒(215)通过螺丝紧固配合，所述端部旋转件B(216)左端通过螺丝与所述回转外套筒(215)连接，所述端部旋转件B(216)右端与所述端部连接件(106)左端依靠螺栓连接。