CN105269589B - 一种空间机械臂模块化驱动关节 - Google Patents

Abstract

一种空间机械臂模块化驱动关节，包括电机驱动组件、机械传动组件、传感控制组件和结构支撑组件；所述电机驱动组件包括无刷直流电机，所述机械传动组件包括谐波减速器和行星减速装置；所述传感控制组件包括绝对位置编码器和驱动控制器，所述结构支撑部件包括输入法兰、电机支座，轴承内座、轴承外座、输出法兰、谐波输出轴、轴承端盖、机械限位块、控制器支架与控制器外壳。本发明解决了现有空间机械臂技术中驱动关节精度低，关节的体积和重量较大的问题，采用模块化设计，关节之间的互换性好，具有提高空间机械臂精细化程度和负载能力的有益效果。

Description

一种空间机械臂模块化驱动关节

技术领域

本发明涉及空间站机械臂灵巧操作技术领域，具体涉及一种空间机械臂模块化驱动关节。

背景技术

空间机械臂模块化驱动关节是空间机械臂的运动部件，空间机械臂通过驱动关节的转动及位置控制，在整个工作空间内，实现对任务目标的寻址、定位，同时可辅助末端执行工具完成抓取、插拔、旋转等操作。

目前，模块化驱动关节是国内外现有的空间机械臂的关键单机，是空间站建造、运营阶段不可或缺的关键设备，在国际空间站上的加拿大II机械臂、日本机械臂、欧空局机械臂上得到了广泛应用。在国际空间站的几种机械臂中，根据操作对象的重量及完成操作任务的不同，机械臂关节可分为大型驱动关节和中型驱动关节两大类。最典型的大型驱动关节是国际空间站加拿大II机械臂（SSRMS）模块化驱动关节，SSRMS用于空间站各舱段的临时停泊、转位等工作，要求驱动关节的负载能力大。SSRMS驱动关节的模块化，使得各关节间可以互换。驱动关节的电机驱动组件、传感控制组件均采用冗余设计。三级行星减速的传动方式，在提高其负载能力的同时，也增加了关节的体积和重量，这对我国现有的运载能力是一个挑战。

最典型的中型驱动关节是空间站欧空局机械臂（ERA）驱动关节，其驱动器外置，采用了局部模块化设计。ERA可用于更换中、小型ORU，辅助航天员进行EVA活动，对舱段表面进行在轨检测等，需要的承载能力和末端操作精度都不高。ERA驱动关节采用单电机驱动，行星减速方式，减速比不高，关节的体积和重量相对于SSRMS驱动关节也下降很多。

针对空间载荷精细化操作的要求，机械臂应具有较高的末端定位精度，一定的承载能力。因此，需要设计一种机构简单、连接可靠、结构轻小的空间机械臂模块化驱动关节，同时需要关节具有较高的定位精度及一定的输出力矩，以满足空间机械臂灵巧操作的需求。

发明内容

为满足对空间轻、小型设备灵巧操作的需求，本发明提出一种空间机械臂模块化驱动关节。

本发明提供的一种空间机械臂模块化驱动关节，包括电机驱动组件、机械传动组件、传感控制组件和相应的结构支撑组件。

所述电机驱动组件包括无刷直流电机，其包括定子组件、转子组件、Hall换向元件及增量式编码器。电机组件采用Hall换向方式，增量式编码器提供电机组件相对位置信息，进行关节速度反馈控制。

所述机械传动组件包括谐波减速器、刚轮、柔轮及一级行星减速装置，行星减速装置与谐波减速器采用一体化设计，行星减速装置安装于谐波减速器空腔中，充分利用了谐波减速器的剩余空间。机械传动组件采用油脂与固体混合润滑方式，其全部齿轮、轴承和摩擦部位均具有固体润滑镀层。谐波减速器齿轮采用小侧隙设计，使得传动组件回差小，输出精度高，其输入端采用联轴器直接与电机输出轴（转子）相连，其刚轮通过结构支撑组件固定在电机定子壳体上。、

所述传感控制组件包括绝对位置编码器及其组件、驱动控制器。绝对位置编码器由编码器定子、编码器转子、压紧蝶簧、压紧环组成。绝对位置编码器转子通过压紧蝶簧、压紧环固定在谐波输出轴上，绝对位置编码器定子通过相应的结构支撑部件连接于谐波减速器刚体上。

所述的结构支撑部件，包括输入法兰、电机支座，轴承内座、轴承外座、输出法兰、谐波输出轴、轴承端盖、机械限位块、控制器支架与控制器外壳。

所述的电机驱动组件采用一体化的形式，各部分封装一体，制动器通过顶丝固定在电机输出轴上。

所述制动装置为电磁式制动器，由永磁体、弹性体和铁芯组成，永磁体通电，磁体磁性消除，通过弹性体的弹性力作用，使铁芯脱开，完成释放。在制动器安装时，需采用垫片调整永磁体和铁芯之间的间隙，以确保制动器能够可靠的制动与释放。

所述的传动组件输入端通过联轴器与电机轴相连，采用过盈胶接方式固连，传动组件输出端直接与谐波输出轴固连。

所述的绝对位置编码器转子直接通过压紧蝶簧、压紧环固定在谐波输出轴上；绝对位置编码器定子采用半开口式螺钉固定在结构支撑件上，连接至电机定子。绝对位置编码器实时测量关节输出的转动角度，将角度值转变成电信号，并返回给电机端，进行位置反馈控制。绝对位置编码器是关节的位置测量装置，在安装时要调整定子与转子的位置关系，以保证其测量的准确性。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1)传动机构采用谐波减速与行星减速一体化的设计方法，行星减速装置安装于谐波减速器空腔中，减少了传动机构的体积和重量；谐波减速器回差小，提高了传动机构的精度；传动机构采用谐波和行星二级减速，减速比大；传动机构的设计在提高驱动关节的定位精度和输出力矩的同时，降低了关节的体积和重量；

2)驱动电机采用了Hall换向与增量式编码器双备份的换向方式，提高了关节工作的可靠性；增量式编码器除换向外，还作为检测元件，提供位置反馈信息，提高了元件的利用率，减小了关节的体积。

3)采用模块化设计，关节控制器内置，增强了关节的通用性；

4)采用集成化设计思想，将关节驱动控制和电源管理集成在一个控制板上，减少了关节控制卡的体积和质量；

5)轴承外座、输出法兰既是连接件，又是关节壳体，最大化共用结构件，减小了关节尺寸，降低了关节质量；

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明提供的空间机械臂模块化驱动关节的外形示意图；

图2是本发明提供的空间机械臂模块化驱动关节的结构剖面图；

图3是本发明提供空间机械臂模块化驱动关节行程示意图。

图中标记分别表示如下零件或部件：

1—输出法兰、 2—谐波输出轴、3—轴承外座、4—轴承内座、5—电机支座、6—轴承端盖、7—输入法兰、8—控制器支架、9—控制器外壳、11—机械限位块、12—驱动控制器、13—电机、14—电磁制动器、15—轴承、16—制动器外壳、17—联轴器、18—传动组件、19——绝对位置编码器

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明。本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明而不用于限制本发明的保护范围。本发明优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

现详细说明根据本发明一种空间机械臂模块化驱动关节。

本发明的核心思想在于，提供一种空间机械臂的模块化驱动关节，包括电机驱动组件、机械传动组件、传感控制组件和相应的结构支撑组件。所述电机驱动组件提供关节动力输入，同时提供电机的位置反馈，Hall是主换向元件，增量式编码器是备份换向元件，同时可测量电机的位置输出，其测量信息可作为关节的速度反馈信号；所述的机械传动组件传递关节内部的运动和力矩；所述的传感控制组件测量关节输出的位置信息，为关节闭环控制提供反馈信号；所述的结构支撑组件支撑所述模块化驱动关节的所有部件，并提供支撑力，保证结构的刚度和稳定。

图1是本发明模块化驱动关节的安装外形示意图。图1中所示的关节后半段是关节的电机驱动组件和关节控制器，中间部分为关节机械传动组件和支撑部件，前半段是关节的传感控制组件，各组件之间通过结构支撑部件相连。

图2是本发明模块化驱动关节结构剖面示意图，包括电机驱动组件、机械传动组件、传感控制组件和相应的结构支撑组件。各部分的连接与传动关系如下：电机13输出轴通过联轴器17将运动及转矩传递给传动组件18的行星减速部分，再将运动及转矩传递入波发生器，经柔轮，传递到谐波减速器18输出端，在此过程中，刚轮经电机支座5直接固定在电机13定子上，保持不动。谐波输出轴2直接连接在传动组件18输出端上，绝对位置编码器19的转子经压紧蝶簧、压紧圈固定在谐波减速器输出轴2上，绝对位置编码器19的定子固定在轴承内座4上，轴承内座4固定在电机支座5上，间接固定在电机13定子上。绝对位置编码器19转子、谐波输出轴2、输出法兰1、轴承外座3、轴承端盖6相互连接，同步转动，电机支座5、轴承内座4、绝对位置编码器19定子、输入法兰7、控制器支架8、控制器外壳9连接在电机13定子上，固定不动。绝对位置编码器定子与转子间的位置测量信息，将作为位置反馈信号，传递给驱动控制器12，以控制关节的位置输出。

关节制动原理如下：电机13输出轴直接与制动器14相连，制动器永磁体通过电机支座5固定在电机定子上，制动器铁芯通过顶丝固定在电机输出轴上，当制动器通电时，永磁体消磁，通过制动器弹性体的弹性力使永磁体与铁芯分离，制动器释放。

图3是本发明模块化驱动关节结构转动范围示意图。对转角起到限制作用的主要是分别安装于轴承端盖6和输入法兰7上的一对机械限位块11。输入法兰7上的限位块与电机定子壳体相连，始终保持静止；轴承端盖6上的限位块通过轴承端盖6、轴承外座3保持与关节输出法兰1同步运动。通过改变机械限位块11的大小或者调整两限位块之间的位置关系，可以调整驱动关节的转角范围。

Claims (4)

1.一种空间机械臂模块化驱动关节，其特征在于所述驱动关节包括电机驱动组件、机械传动组件、传感控制组件和结构支撑组件；所述电机驱动组件包括无刷直流电机，所述无刷直流电机包括定子、转子、Hall换向元件和增量式编码器；所述机械传动组件包括谐波减速器和行星减速装置，所述谐波减速器包括波发生器、刚轮、柔轮，所述行星减速装置内置于所述谐波减速器空腔中，所述机械传动组件有输出轴和输入端；所述机械传动组件的输入端直接与所述电机驱动组件中的转子相连，所述刚轮通过所述结构支撑组件固定在所述电机驱动组件中的定子壳体上；所述传感控制组件包括绝对位置编码器和驱动控制器，所述绝对位置编码器包括编码器定子、编码器转子和压紧装置，所述编码器转子通过所述压紧装置固定在所述机械传动组件输出轴上，所述编码器定子通过所述结构支撑组件连接于所述谐波减速器刚体上;

所述绝对位置编码器中的转子的压紧装置包括压紧蝶簧和压紧环，压紧装置将转子固定在谐波输出轴上，所述绝对位置编码器定子采用半开口式螺钉固定在所述结构支撑组件上，连接至所述电机定子，所述压紧装置的压紧力和所述半开口式螺钉的松紧度会影响所述绝对位置编码器测量的准确性;

所述传动组件包括谐波减速器和行星减速装置，所述行星减速装置与谐波减速器一体化设计，行星减速装置内置于谐波减速器中，减少了传动组件的体积和质量，传动组件输入端通过联轴器，采用过盈胶接方式与所述电机输出轴固连。

2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂模块化驱动关节，其特征在于所述驱动控制器采用集成化设计，驱动、控制、电源管理及USB、I/O接口集成在一块控制板上，降低了关节驱动控制系统的体积和质量。

3.根据权利要求1所述的一种空间机械臂模块化驱动关节，其特征在于所述驱动关节还包括制动装置，所述制动装置包括制动器，所述制动器包括永磁体、弹性体和铁芯，所述制动器永磁体固定在所述无刷直流电机的定子上，所述制动器弹性体通过顶丝固定在所述无刷直流电机的输出轴上，制动器采用失电制动方式。

4.根据权利要求1所述的一种空间机械臂模块化驱动关节，其特征在于所述结构支撑组件包括输入法兰、电机支座，轴承内座、轴承外座、输出法兰、谐波输出轴、轴承端盖、机械限位块、控制器支架与控制器外壳，结构支撑组件会影响关节的刚度和强度。