CN104942822A - 一种空间机器人的两自由度关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间机器人的两自由度关节包括两关节驱动组件、关节传动组件，可以实现关节两自由度运动，通过调节两个电机的转速和转角，可以实现关节俯仰、旋转、两者合成的三种运动方式。关节传动组件是由两个输入锥齿轮和一个输出锥齿轮构成的差动运动机构。两个输入锥齿轮分别与各自对应的准双曲面齿轮固连，输出法兰与输出锥齿轮固连。电机力矩通过与其连接的行星减速器的一级减速，再由准双曲面齿轮进行二级减速，最后通过锥齿轮差动机构将力矩传递到输出端。由于两级减速的减速比很大，使得该机构输出力矩很大，具有很强的负载能力。

Description

一种空间机器人的两自由度关节

技术领域

本发明涉及空间机器人关节领域，特别涉及一种空间机器人的两自由度关节。

背景技术

空间机器人是可以替代或者辅助航天员完成多项空间操作的自动化操作设备，其核心部件是驱动关节，它是实现机器人运动和定位的关键单机和核心技术。由于受到空间站载荷、能源等因素的限制，希望空间机器人尺寸、质量小，承载能力大，因此要求驱动关节在输出同样的力矩条件下，具有较小的体积和重量。

国外空间机器人的概念提出可以追溯到上世纪70年代，从1981年，加拿大I机械臂正式用于空间操作以来，空间机器人已经在载人航天、深空探测、在轨服务等多个领域完成了在轨运行任务的飞行验证，包括日本空间站机械臂JEMRMS、中国月球车机械臂系统、美国凤凰计划、轨道快车、机器人航天员Robonaut2等，从最初的单关节串联的机械臂形式，到多关节集成的仿人机器人系统，空间机器人正在面向空间灵巧操作的多关节集成系统发展。

早期的加拿大I机械臂具有6个自由度，而从2007年起在空间站执行任务的Robonaut2具有26个自由度，如果每个自由度都是由电机驱动的单自由度关节，同时配备上传动、检测等装置，会导致机器人尺寸、重量较大，会对空间上行资源造成浪费；另外，由于单电机驱动与关节尺寸的限制，导致驱动电机尺寸较小，相应的其功率较小，这也限制了关节的承载能力。因此，一种具有两个及以上自由度且承载能力较高的关节，成为未来空间机器人的关键技术之一。

发明内容

本发明针对现有空间机器人关节配置松散，体积、重量较大的问题，提供了一种空间机器人的两自由度关节。本发明通过以下技术方案实现：

一种空间机器人的两自由度关节，包括：两关节驱动组件、关节传动组件，所述两关节驱动组件连接所述关节传动组件；

所述关节传动组件包括：输出法兰（21）、交叉滚子轴承（22）、调整垫片（23）、上支架（24）、外壳（25）、第一端盖（26）、第一轴端挡圈（27）、第一套筒（28）、第一角接触轴承（29）、第一花键套（210）、第一垫片（211）、第一锥齿轮（212）、第一准双曲面齿轮（213）、第二准双曲面齿轮（214）、第二锥齿轮（215）、第二垫片（216）、第二花键套（217）、第二套筒（218）、第二角接触轴承（219）、主轴（220）、第二轴端挡圈（221）、第二端盖（222）、第三锥齿轮（225）、调整套筒（226）；

所述上支架（24）设置在所述关节外壳（25）内，所述上支架（24）通过所述第一花键套（210）和所述第二花键套（217）与所述主轴（220）保持周向定位，所述第一垫片（211）和所述第二垫片（216）用于调整所述上支架（24）与所述第一准双曲面齿轮（213）和所述第二准双曲面齿轮（214）间的轴向间隙，保证所述第一准双曲面齿轮（213）和所述第二准双曲面齿轮（214）的轴向定位，所述第一锥齿轮（212）与所述第一准双曲面齿轮（213）、所述第二锥齿轮（215）与所述第二准双曲面齿轮（214）固定连接，通过所述第一套筒（28）和所述第二套筒（218）套装在所述主轴（220）上，并将运动及动力传递给所述第三锥齿轮（225），所述第三锥齿轮（225）通过花键与所述输出法兰（21）保持周向定位，通过所述调整套筒（226）与所述输出法兰（21）保持轴向定位，将运动输出；所述输出法兰（21）与所述上支架（24）之间安装有所述交叉滚子轴承（22）、所述调整垫片（23），所述交叉滚子轴承（22）用来承担关节所受的轴向压力，所述调整垫片（23）调整所述交叉滚子轴承（22）与所述上支架（24）的轴向间隙；所述主轴（220）的两侧轴端套装有所述第一角接触轴承（29） 和所述第二角接触轴承（219），所述第一轴端挡圈（27）和所述第二轴端挡圈（221）与所述主轴（220）固定连接，并限定所述第一角接触轴承（29）和所述第二角接触轴承（219）的轴向位置，所述第一端盖（26）和所述第二端盖（222）用于封装所述第一角接触轴承（29）和所述第二角接触轴承（219）。

较佳的，所述两关节驱动组件分别包括：输入轴（11）、轴承（12）、压紧套筒（13）、支撑法兰（14）、行星减速器（15）、电机（16）；

所述电机（16）前轴连接所述行星减速器（15），所述行星减速器（15）安装在支撑法兰（14）上，所述行星减速器（15）的输出端连接所述输入轴（11），所述输入轴（11）与所述准双曲面齿轮（213）形成啮合关系，在所述输入轴（11）和所述电机支撑法兰（14）之间设有所述角接触轴承（12），在相对运动的同时承担所述驱动组件（1）所受的轴向载荷和径向载荷，所述压紧套筒（13）与所述输入轴（11）形成螺纹锁紧关系，用于压紧所述轴承（12）。

较佳的，所述关节传动组件还包括：主轴法兰（223）、第一角度传感器（224）、第二角度传感器（227）、读数头（228）、读数头支架（229），所述第二角度传感器（227）固定在所述输出法兰（21）的输出轴上，用于检测所述输出法兰（21）的输出角度，所述主轴法兰（223）固定在所述主轴（220）上，用于固定所述第一角度传感器（224），所述读数头支架（229）固定在所述外壳（25）上，所述读数头（228）固定在所述读数头支架（229）上，用于测量所述主轴（220）的旋转角度。

较佳的，所述关节驱动组件还包括：编码器（17）和制动器（18），连接所述电机（16）的后轴，分别用以测量所述电机（16）的输出角度和制动。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明通过两套驱动组件的动力和运动输出，采用差分运动原理，实现了关节俯仰、旋转两个自由度运动，并且可以通过调节两套驱动组件的输出转角和转速，实现纯俯仰、纯旋转以及两者合成运动的三种无耦合的运动方式；

2.本发明通过一套传动组件实现了两自由度运动，简化了关节结构，降低了关节的重量和体积；

3.本发明采用了双电机的驱动方式，将驱动力矩增大为单电机的两倍，且采用行星减速器及准双曲面齿轮减速两级减速方式，增大了关节的输出力矩；

4.本发明传动组件采用了弧齿等径锥齿轮与准双曲面齿轮的组合形式，关节传动组件具有啮合重合度大、可靠性高、噪声小、传动精度高、承载能力大的特点。

附图说明

图1是本发明提供的一种空间机器人的两自由度关节外形示意图；

图2是本发明提供的一种空间机器人的两自由度关节的主剖视图；

图3是本发明提供的关节驱动组件的主剖视图；

图4是本发明提供的关节传动组件的主剖视图；

图5是本发明提供的关节电气组件的外形图；

图6是本发明提供的基于差分原理的差动机构的运动原理图；

图中标记表示如下：

1—关节驱动组件、2—关节传动组件、3—关节电气组件、11—输入轴、12—轴承、13—压紧套筒、14—支撑法兰、15—行星减速器、16—电机、17—编码器、18—制动器、21—输出法兰、22—交叉滚子轴承、23—调整垫片、24—上支架、25—外壳、26—第一端盖、27—第一轴端挡圈、28—第一套筒、29—第一角接触轴承、210—第一花键套、211—第一垫片、212—第一锥齿轮、213—第一准双曲面齿轮、214—第二准双曲面齿轮、215—第二锥齿轮、216—第二垫片、217—第二花键套、218—第二套筒、219—第二角接触轴承、220—主轴、221—第二轴端挡圈、222—第二端盖、223—主轴法兰、224—第一角度传感器、225—第三锥齿轮、226—调整套筒、227—第二角度传感器、228—读数头、229—读数头支架、31—驱动器支架、32—驱动器。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，本发明提供的空间机器人的两自由度关节包括三个部分：两个关节驱动组件1、关节传动组件2以及关节电气组件3。

如图2和图3所示，关节驱动组件包括输入轴1-1、轴承1-2、压紧套筒1-3、支撑法兰1-4、行星减速器1-5、电机1-6、编码器1-7、制动器1-8；

电机16前轴安装行星减速器15，行星减速器15安装在支撑法兰14上，其输出端安装关节传动组件2的输入轴11，输入轴11与准双曲面齿轮213形成啮合关系，在输入轴11和电机支撑法兰14之间设有角接触轴承12，在实现输入端与输出端的相对运动的同时承担驱动组件1所受的轴向载荷和径向载荷，压紧套筒13与输入轴11形成螺纹锁紧关系，用于压紧轴承12，电机16的后轴连接编码器17和制动器18，由于实现电机输出端的角度测量和制动。

如图2和图4所示，关节传动组件包括输出法兰21、交叉滚子轴承22、调整垫片23、上支架24、外壳25、第一端盖26、第一轴端挡圈27、第一套筒28、第一角接触轴承29、第一花键套210、第一垫片211、第一锥齿轮212、第一准双曲面齿轮213、第二准双曲面齿轮214、第二锥齿轮215、第二垫片216、第二花键套217、第二套筒218、第二角接触轴承219、主轴220、第二轴端挡圈221、第二端盖222、主轴法兰223、第一角度传感器224、第三锥齿轮225、调整套筒226、第二角度传感器227、读数头228、读数头支架229；

上支架24设置在关节外壳25内，上支架24通过第一花键套210和第二花键套217与主轴220保持周向定位，第一垫片211和第二垫片216用于调整上支架24与第一准双曲面齿轮213和第二准双曲面齿轮214间的轴向间隙，保证准双曲面齿轮213和214的轴向定位，第一锥齿轮212与第一准双曲面齿轮213、第二锥齿轮215与第二准双曲面齿轮214固定连接，通过第一套筒28和第二套筒218套装在主轴220上，并将运动及动力传递给第三锥齿轮225，第三锥齿轮225通过花键与输出法兰21保持周向定位，通过调整套筒226与输出法兰21保持轴向定位，将运动输出；输出法兰21与上支架24之间安装有交叉滚子轴承22、调整垫片23，交叉滚子轴承22用来承担关节所受的轴向压力，调整垫片23调整交叉滚子轴承22与上支架24的轴向间隙，第二角度传感器227固定在输出法兰21的输出轴上，用于检测输出法兰21的输出角度；主轴220的两侧轴端套装有第一角接触轴承29 和第二角接触轴承219，第一轴端挡圈27和第二轴端挡圈221与主轴固定连接，并限定第一角接触轴承29和第二角接触轴承219的轴向位置，第一端盖26和第二端盖222用于封装第一角接触轴承29和第二角接触轴承219；主轴法兰223固定在主轴220上，用于固定第一角度传感器224，读数头支架229固定在外壳25上，读数头228固定在读数头支架229上，用于测量主轴220的旋转角度。

如图5所示，关节电气组件包括驱动器支架31、驱动器32，用来控制关节驱动组件1的工作。

如图6所示，本发明的工作原理如下：依据差分运动原理，由两个输入锥齿轮和一个输出锥齿轮构成差动运动机构。两个输入锥齿轮分别与各自对应的准双曲面齿轮固连，输出法兰与输出锥齿轮固连。关节电机力矩通过与其连接的行星减速器的一级减速，再由准双曲面齿轮进行二级减速，最后通过锥齿轮差动机构将力矩传递到输出端。由于两级减速的减速比很大，使得该机构输出力矩很大，具有很强的负载能力。

电机16前端输出轴连接行星减速器15，将力矩和动力通过行星减速器15传递给输入轴11，作为关节驱动组件的力矩输出，该输入轴11与传动组件2中的第一准双曲面齿轮213和第二准双曲面齿轮214形成啮合关系，将力矩和动力传递给第一锥齿轮212和第二锥齿轮215，两个锥齿轮做旋转运动，并且通过第一套筒28和第二套筒218固定在主轴220上，同时将旋转运动传递给主轴220；主轴220通过第一花键套210和第二花键套217与上支架24形成周向定位，将旋转运动转化为上支架24的俯仰运动，上支架24通过交叉滚子轴承22实现了输出法兰21的俯仰运动；主轴220的两端套装第一角接触轴承29和第二角接触轴承219，两轴承外圈固定在外壳25上，并由第一轴端挡圈27、第二轴端挡圈221、第一端盖26和第二端盖222压紧，实现了外壳25与上支架24及输出法兰21的相对俯仰运动，俯仰运动角度通过第一角度传感器224检测，通过读数头228读取。

第一锥齿轮212和第二锥齿轮215分别与第三锥齿轮225形成啮合关系，将第一锥齿轮212和第二锥齿轮215的旋转运动转化为第三锥齿轮225的旋转运动，第三锥齿轮225与输出法兰21通过花键实现周向定位，通过调整套筒226实现轴向定位，输出法兰21与交叉滚子轴承22的内圈固定连接，交叉滚子轴承22的外圈与上支架24固定连接，因此实现了输出法兰21的旋转运动，旋转运动角度通过第二角度传感器227检测和读取。

通过调节两个电机的转速和转角，本发明可以实现关节俯仰、旋转、两者合成的三种运动方式。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种空间机器人的两自由度关节，其特征在于，包括：两关节驱动组件、关节传动组件，所述两关节驱动组件连接所述关节传动组件；

所述关节传动组件包括：输出法兰（21）、交叉滚子轴承（22）、调整垫片（23）、上支架（24）、外壳（25）、第一端盖（26）、第一轴端挡圈（27）、第一套筒（28）、第一角接触轴承（29）、第一花键套（210）、第一垫片（211）、第一锥齿轮（212）、第一准双曲面齿轮（213）、第二准双曲面齿轮（214）、第二锥齿轮（215）、第二垫片（216）、第二花键套（217）、第二套筒（218）、第二角接触轴承（219）、主轴（220）、第二轴端挡圈（221）、第二端盖（222）、第三锥齿轮（225）、调整套筒（226）；

所述上支架（24）设置在所述关节外壳（25）内，所述上支架（24）通过所述第一花键套（210）和所述第二花键套（217）与所述主轴（220）保持周向定位，所述第一垫片（211）和所述第二垫片（216）用于调整所述上支架（24）与所述第一准双曲面齿轮（213）和所述第二准双曲面齿轮（214）间的轴向间隙，保证所述第一准双曲面齿轮（213）和所述第二准双曲面齿轮（214）的轴向定位，所述第一锥齿轮（212）与所述第一准双曲面齿轮（213）、所述第二锥齿轮（215）与所述第二准双曲面齿轮（214）固定连接，通过所述第一套筒（28）和所述第二套筒（218）套装在所述主轴（220）上，并将运动及动力传递给所述第三锥齿轮（225），所述第三锥齿轮（225）通过花键与所述输出法兰（21）保持周向定位，通过所述调整套筒（226）与所述输出法兰（21）保持轴向定位，将运动输出；所述输出法兰（21）与所述上支架（24）之间安装有所述交叉滚子轴承（22）、所述调整垫片（23），所述交叉滚子轴承（22）用来承担关节所受的轴向压力，所述调整垫片（23）调整所述交叉滚子轴承（22）与所述上支架（24）的轴向间隙；所述主轴（220）的两侧轴端套装有所述第一角接触轴承（29） 和所述第二角接触轴承（219），所述第一轴端挡圈（27）和所述第二轴端挡圈（221）与所述主轴（220）固定连接，并限定所述第一角接触轴承（29）和所述第二角接触轴承（219）的轴向位置，所述第一端盖（26）和所述第二端盖（222）用于封装所述第一角接触轴承（29）和所述第二角接触轴承（219）。

2.根据权利要求1所述的空间机器人的两自由度关节，其特征在于，所述两关节驱动组件分别包括：输入轴（11）、轴承（12）、压紧套筒（13）、支撑法兰（14）、行星减速器（15）、电机（16）；

所述电机（16）前轴连接所述行星减速器（15），所述行星减速器（15）安装在支撑法兰（14）上，所述行星减速器（15）的输出端连接所述输入轴（11），所述输入轴（11）与所述准双曲面齿轮（213）形成啮合关系，在所述输入轴（11）和所述电机支撑法兰（14）之间设有所述角接触轴承（12），在相对运动的同时承担所述驱动组件（1）所受的轴向载荷和径向载荷，所述压紧套筒（13）与所述输入轴（11）形成螺纹锁紧关系，用于压紧所述轴承（12）。

3.根据权利要求2所述的空间机器人的两自由度关节，其特征在于，所述关节传动组件还包括：主轴法兰（223）、第一角度传感器（224）、第二角度传感器（227）、读数头（228）、读数头支架（229），所述第二角度传感器（227）固定在所述输出法兰（21）的输出轴上，用于检测所述输出法兰（21）的输出角度，所述主轴法兰（223）固定在所述主轴（220）上，用于固定所述第一角度传感器（224），所述读数头支架（229）固定在所述外壳（25）上，所述读数头（228）固定在所述读数头支架（229）上，用于测量所述主轴（220）的旋转角度。

4.根据权利要求1所述的空间机器人的两自由度关节，其特征在于，所述关节驱动组件还包括：编码器（17）和制动器（18），连接所述电机（16）的后轴，分别用以测量所述电机（16）的输出角度和制动。