CN106078801B - 一种等截面空间机械臂臂杆伸缩机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等截面空间机械臂臂杆伸缩机构，通过水平板带和竖直板带相互锁紧、啮合形成螺旋管柱的形式实现机械臂臂杆的伸缩，使得该臂杆具有收纳率低的特点，同时可使空间机械臂具有变构型的能力；当机械臂处于收缩状态时，具有发射包络小，操作精度高的特点；当机械臂处于伸长状态时，具有可达范围大的特点。臂杆伸缩的功能可提高机械臂在轨服务的适应能力；竖直板带沿高度方向的横截面上设置折弯，可保证同侧的两面间的距离与竖直板带厚度一致，下一层的竖直板带不会因重叠后凸起，而下层与上一层的竖直板带的外表面处在同一竖直面内，因此可保持等截面，提高臂杆的刚度，同时保证刚度的均匀性。

Description

一种等截面空间机械臂臂杆伸缩机构

技术领域

本发明属于空间机械臂技术领域，具体涉及一种等截面空间机械臂臂杆伸缩结构。

背景技术

当前空间机械臂均为臂杆长度固定的机械臂，如加拿大臂SSRMS。对于可伸缩的空间展开机构有薄壁管状伸展机构，铰接杆伸展机构及伸缩套筒式展开机构，目前适用于臂杆伸缩为套筒式伸缩机构，加拿大MDA公司正在研制具有臂杆可伸缩的空间机械臂，臂杆伸缩机构为套筒式展开机构。套筒式伸缩机构随着展开级数的增多，刚度会下降，且收纳率较高。

加拿大PACO公司研制了螺旋板带式的顶升机构(spiralift)，主要应用于地面重物的升降，文献《“大螺旋”在剧院领域的应用》(期刊：演艺设备与科技)对该机构进行了简单说明，该机构需要具有固定轨道克服升降过程中的扭转力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种等截面空间机械臂臂杆伸缩结构，用于空间机械臂臂杆的伸缩，使空间机械臂具有变构型的能力。

一种臂杆伸缩机构，包括壳体、定子(20)、转子(13)、传动机构、竖直板带(5)、顶盖(6)以及水平板带(8)；

所述壳体由从下至上连接的底座(1)、水平板带存储筒(2)、竖直板带存储筒(3)以及导向筒(4)组成；其中，导向筒(4)的上部为直筒，下部为锥形筒；

定子(20)置于壳体内，并固定在所述底座(1)上，转子(13)套装在定子(20)的外侧；

水平板带(8)呈等厚螺旋带状，沿着水平板带(8)外缘螺旋线均匀分布齿状结构；自由放置时水平板带(8)的每一圈从上至下叠放在一起；叠放好的水平板带(8)置于水平板带存储筒(2)中，并套装在定子(20)外侧；

所述竖直板带(5)呈扁平带状结构，上、下边缘附近沿长度方向均匀分布矩形孔，该矩形孔与水平板带(8)的齿状结构配合；所述竖直板带(5)卷成环状后置于竖直板带存储筒(3)内；

所述导向筒(4)的内径与叠放好的水平板带(8)的外径一致，导向筒(4)的内壁上有导向槽，其截面形状与水平板带(8)的齿形互相对应；导向槽的倾斜角度α等于水平板带(8)拉伸到螺旋状态下相邻螺距间的齿状结构的错位角度；

传动机构用于驱动转子(13)绕定子(20)转动；转子(13)上螺距为P的螺线上方和下方布置多个滚轮14，水平板带(8)按照螺距P螺旋缠绕在转子(13)上，并穿过螺线上方和下方的滚轮14之间的缝隙；螺距P即为水平板带(8)拉伸到螺旋状态下的相邻螺距值；

所述顶盖(6)为带盖的圆筒，其外径与要形成的臂杆的外径一致，竖直板带(5)内侧的端头与顶盖(6)连接在一起，竖直板带(5)在顶盖(6)的外圆周面上缠绕至少两圈，相邻两层竖直板带(5)形成搭接，搭接位置的矩形孔互相对齐，竖直板带(5)上端形成筒状；水平板带(8)端头附近的一段事先与竖直板带(5)上部的一段组装在一起，即将水平板带(8)的齿啮合在竖直板带(5)搭接部分的两层矩形孔内，并缠绕至少一圈，使得竖直板带(5)与水平板带(8)组装成臂杆的上端。

较佳的，所述竖直板带(5)的横截面中部具有一个折弯，折弯的两端板带仍保持平行，但位于不同平面上，折弯角度的范围为170°至179°。

进一步的，还包括板带存储槽(12)，竖直板带存储筒(3)内侧与转子(13)外侧设置板带存储槽(12)；竖直板带(5)置于该板带存储槽(12)中，板带存储槽(12)约束竖直板带(5)向外扩散。

进一步的，还包括啮合机构(17)，包括滚轮(17-1)、转轴(17-2)以及支架(17-3)；支架(17-3)与转子(13)连接在一起；支架(17-3)上固定转轴(17-2)，滚轮(17-1)套装在转轴(17-2)上，转轴(17-2)压紧在水平板带(8)与竖直板带(5)啮合处。

进一步的，还包括与啮合机构(17)结构相同的剥离机构(18)，设置在水平板带(8)与竖直板带(5)的分离位置。

进一步的，还包括固定环19；底座(1)上连接固定环(19)，固定环(19)内环成齿槽形状，与水平板带(8)外圈的齿相配合，约束水平板带(8)的沿圆周方向的自由度。

进一步的，还包括3个固定圆柱(7)，其外圆与水平板带(8)内圆相切。

进一步的，所述传动机构包括电机(9)、主动齿轮(10)和从动齿轮(11)；电机(9)固定在水平板带存储筒(2)上，输出轴连接主动齿轮(10)，主动齿轮(10)与从动齿轮(11)啮合，从动齿轮(11)套在转子(13)外侧，并与转子(13)固连，电机(9)转动时，通过两个齿轮驱动转子(13)绕定子(20)转动。

本发明具有如下有益效果：

(1)一种等截面空间机械臂臂杆伸缩机构，包括水平板带、竖直板带、驱动机构、板带啮合和剥离机构、电缆收缩机构，通过水平板带和竖直板带相互锁紧、啮合形成螺旋管柱的形式实现机械臂臂杆的伸缩，使得该臂杆具有收纳率低的特点，同时可使空间机械臂具有变构型的能力；当机械臂处于收缩状态时，具有发射包络小，操作精度高的特点；当机械臂处于伸长状态时，具有可达范围大的特点。臂杆伸缩的功能可提高机械臂在轨服务的适应能力。

(2)竖直板带沿高度方向的横截面上设置折弯，可保证同侧的两面间的距离与竖直板带厚度一致，下一层的竖直板带不会因重叠后凸起，而下层与上一层的竖直板带的外表面处在同一竖直面内，因此可保持等截面，提高臂杆的刚度，同时保证刚度的均匀性。

(3)本发明的电缆结构形式与水平板带的形式类似，即电缆通过绑扎的方式与螺旋水平板带连接在一起，板带的一段与底座连接，另一端与顶盖连接，当形成的臂杆竖直向上伸展运动时，电缆随着展开。

附图说明

图1(a)为竖直板带结构图，图1(b)为展开后的竖直板带结构图，图1(c)为水平板带结构图，图1(d)为展开后的水平板带结构图；图1(e)为由竖直板带和水平板带啮合后形成臂杆的原理图；

图2为本发明的臂杆伸缩机构外形图；

图3为本发明的臂杆伸缩机构剖面图；

图4为本发明的臂杆伸缩机构A-A剖面图；

图5为本发明的臂杆伸缩机构内部结构图(隐藏导向筒)；

图6为本发明的臂杆伸缩内部结构图(隐藏水平板带)；

图7为本发明的水平板带啮合与剥离原理图；

图8为本发明的水平板带剖面结构图；

图9为本发明的导向筒剖面图；

图10为本发明的导向筒结构三维图。

1-底座、2-水平板带存储筒，3-竖直板带存储筒，4-导向筒，5-竖直板带，6-顶盖，7-固定圆柱，8-水平板带，9-电机，10-主动齿轮，11-从动齿轮，12-板带存储槽，13-转子，14-滚轮，15-角传感器，16-电缆，17-啮合机构，17-1-滚轮，17-2-转轴，17-3-支架，18-剥离机构，19-固定环，20-定子。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图2和图3所示，本发明的臂杆伸缩机构包括壳体、定子20、转子13、传动机构、竖直板带5、水平板带8、固定圆柱7、板带存储槽12、啮合机构17、剥离机构18以及固定环19。

其中，如图2所示，壳体由从下至上连接的底座1、水平板带存储筒2、竖直板带存储筒3以及导向筒4组成，四个零件由螺钉方式紧固在一起。其中，导向筒的上部为直筒，下部为锥形筒，锥形筒的小端朝上，连接所述直筒，大端与竖直板带存储筒3连接。定子20置于壳体内，并固定在所述底座1上，转子13套装在定子20的外侧。

如图1(a)和图1(b)所示，水平板带8是一种等厚螺旋带状，其特殊之处在于沿着水平板带8外缘螺旋线均匀分布齿状结构。水平板带8的结构类似于矩形截面的等径圆柱弹簧，自由放置时水平板带8的每一圈可以叠放在一起，而受到较小的轴向拉力时能够使水平板带8的螺距等于螺旋管柱的螺距。叠放好的水平板带8置于水平板带存储筒2中，并套装在定子20外侧。如图4所示，底座1上通过螺钉连接固定环19，固定环19内环成齿槽形状，与水平板带8外圈的齿相配合，约束水平板带8的沿圆周方向的自由度。另外，底座1上还通过螺钉设置有3个固定圆柱7，并与水平板带8内圆相切，用于支撑水平板带8。

如图1(c)和图1(d)所示，竖直板带5是一条扁平金属带状结构，上、下边缘附近沿长度方向均匀分布矩形孔，该矩形孔与水平板带8的齿配合。其结构形式类似于相机胶卷，竖直板带5的厚度远小于其宽度，竖直板带5的长度由螺旋管柱的最大行程S、直径D、螺距P这三个参数决定，竖直板带5具有很好的柔韧性，可以卷成环状进行存储，占用空间小。竖直板带存储筒3内侧与转子13外侧设置板带存储槽12；竖直板带5置于该板带存储槽12中，板带存储槽12约束竖直板带5向外扩散，避免其松散开。

如图9和图10所示，导向筒4的内径与水平板带8的外径一致，导向筒4的导向槽截面形状与水平板带8的齿形互相对应，即两者可配合；水平板带8由压缩状态到拉伸螺旋状态，相邻螺距P间的齿会错位，错位角度为α，为保证导向筒4与水平板带8配合，导向筒4的每个导向槽均成α角度，α值与板带直径大小和螺距P有关。

如图6所示，传动机构用于驱动转子13绕中心轴转动，包括电机9、主动齿轮10和从动齿轮11；电机9通过螺钉固定在水平板带存储筒2上，输出轴连接主动齿轮10，主动齿轮10与从动齿轮11啮合，从动齿轮11套在转子13外侧，并与转子13固连，电机9转动时，通过两个齿轮驱动转子13绕定子20转动，转子13与定子20之间布置角传感器15，可记录转角。转子13上螺距为P的螺线上方和下方布置多个滚轮14，水平板带8按照螺距P螺旋缠绕在转子13上，并穿过螺线上方和下方的滚轮14之间的缝隙。

如图3和图5所示，顶盖6为带盖的圆筒，其外径与要形成的臂杆的外径一致，竖直板带5内侧的端头与顶盖6通过螺钉连接在一起，竖直板带5在顶盖6的外圆周面上缠绕两圈，相邻两层竖直板带5形成搭接，搭接位置的矩形孔互相对齐，竖直板带5上端形成筒状；水平板带8端头附近的一段事先与竖直板带5上部的一段组装在一起，即将水平板带8的齿啮合在竖直板带5搭接部分的两层矩形孔内，并缠绕几圈，使得竖直板带5与水平板带8组装成筒状的臂杆的上端。当转子13逆时针转动时且水平板带8圆周方向自由度限制，在滚轮14的带动下，水平板带8竖直向上运动，同时带动已经啮合的竖直板带5竖直向上运动，逐渐形成向上升起的臂杆。竖直板带5的自由度由导向筒4限制，导向筒4的构型如图9和图10所示，导向筒4的内径与水平板带8的外径一致，导向筒4的导向槽截面形状与水平板带8的齿形一致，即两者可配合。

如图5和图7所示，转动过程中由啮合机构17滚压竖直板带5与水平板带8啮合。当转子13顺时针转动时，过程相反，水平板带8竖直向下运动，由剥离机构18滚动使得竖直板带5从水平板带8上剥离。啮合机构17由滚轮17-1、转轴17-2以及支架17-3组成，支架17-3与转子13通过螺钉连接在一起。支架17-3上固定转轴17-2，滚轮17-1套装在转轴17-2上，转轴17-2压紧在水平板带8与竖直板带5啮合处。剥离机构18的支架同样与转子13连接在一起，设置在水平板带8与竖直板带5的分离位置。

通过啮合机构17和剥离机构18可使竖直板带5按照设计的直径螺旋缠绕，保证竖直板带5缠绕时具有一定量的重叠部分，在重叠区域，竖直板带5边缘的孔对齐，同时水平板带8外缘的齿与竖直板带5上的矩形孔啮合，竖直板带5的螺旋缠绕与孔齿啮合同步进行。水平板带8外缘的齿将竖直板带5锁紧，使其受到轴向力、扭转力、弯曲力时不会松散，同时竖直板带5的孔锁紧水平板带8，使其保持一定的螺距。水平板带8与竖直板带5的这种相互锁紧形成了结构相对稳定的螺旋管柱(臂杆)。为保证臂杆保持等截面，本发明对竖直板带5的结构进行了特殊的设计，竖直板带5的剖面结构如图8所示，竖直板带5的横截面中部具有一个折弯，折弯的两端板带仍保持平行，但位于不同平面上，折弯角度的范围为170°～179°，假设板带厚度为B，折弯后竖直板带5同侧的两面间的距离为B，当相邻两层竖直板带5重叠后，由于设置了折弯，下一层的竖直板带5不会因重叠后凸起，而下层与上一层的竖直板带5的外表面处在同一竖直面内，因此可保持等截面。其中，厚度B的大小由臂杆的刚度、伸缩推力等指标决定。

电缆收缩机构的形状与水平板带8类似，成螺旋板带状，电缆可绑扎在板带上，板带两端与臂杆两端连接，电缆可随着臂杆的伸缩。

电缆16的结构形式与水平板带8的形式类似，即电缆通过绑扎的方式与螺旋水平板带连接在一起，板带的一段与底座1连接，另一端与6顶盖连接，当形成的臂杆竖直向上伸展运动时，电缆随着展开。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种臂杆伸缩机构，其特征在于，包括壳体、定子(20)、转子(13)、传动机构、竖直板带(5)、顶盖(6)以及水平板带(8)；

所述壳体由从下至上连接的底座(1)、水平板带存储筒(2)、竖直板带存储筒(3)以及导向筒(4)组成；其中，导向筒(4)的上部为直筒，下部为锥形筒；

定子(20)置于壳体内，并固定在所述底座(1)上，转子(13)套装在定子(20)的外侧；

水平板带(8)呈等厚螺旋带状，沿着水平板带(8)外缘螺旋线均匀分布齿状结构；自由放置时水平板带(8)的每一圈从上至下叠放在一起；叠放好的水平板带(8)置于水平板带存储筒(2)中，并套装在定子(20)外侧；

所述竖直板带(5)呈扁平带状结构，上、下边缘附近沿长度方向均匀分布矩形孔，该矩形孔与水平板带(8)的齿状结构配合；所述竖直板带(5)卷成环状后置于竖直板带存储筒(3)内；

所述导向筒(4)的内径与叠放好的水平板带(8)的外径一致，导向筒(4)的内壁上有导向槽，其截面形状与水平板带(8)的齿形互相对应；导向槽的倾斜角度α等于水平板带(8)拉伸到螺旋状态下相邻螺距间的齿状结构的错位角度；

传动机构用于驱动转子(13)绕定子(20)转动；转子(13)上螺距为P的螺线上方和下方布置多个滚轮(14)，水平板带(8)按照螺距P螺旋缠绕在转子(13)上，并穿过螺线上方和下方的滚轮(14)之间的缝隙；螺距P即为水平板带(8)拉伸到螺旋状态下的相邻螺距值；

所述顶盖(6)为带盖的圆筒，其外径与要形成的臂杆的外径一致，竖直板带(5)内侧的端头与顶盖(6)连接在一起，竖直板带(5)在顶盖(6)的外圆周面上缠绕至少两圈，相邻两层竖直板带(5)形成搭接，搭接位置的矩形孔互相对齐，竖直板带(5)上端形成筒状；水平板带(8)端头附近的一段事先与竖直板带(5)上部的一段组装在一起，即将水平板带(8)的齿啮合在竖直板带(5)搭接部分的两层矩形孔内，并缠绕至少一圈，使得竖直板带(5)与水平板带(8)组装成臂杆的上端。

2.如权利要求1所述的一种臂杆伸缩机构，其特征在于，所述竖直板带(5)的横截面中部具有一个折弯，折弯的两端板带仍保持平行，但位于不同平面上，折弯角度的范围为170°至179°。

3.如权利要求1所述的一种臂杆伸缩机构，其特征在于，还包括板带存储槽(12)，竖直板带存储筒(3)内侧与转子(13)外侧设置板带存储槽(12)；竖直板带(5)置于该板带存储槽(12)中，板带存储槽(12)约束竖直板带(5)向外扩散。

4.如权利要求1所述的一种臂杆伸缩机构，其特征在于，还包括啮合机构(17)，包括滚轮(17-1)、转轴(17-2)以及支架(17-3)；支架(17-3)与转子(13)连接在一起；支架(17-3)上固定转轴(17-2)，滚轮(17-1)套装在转轴(17-2)上，转轴(17-2)压紧在水平板带(8)与竖直板带(5)啮合处。

5.如权利要求4所述的一种臂杆伸缩机构，其特征在于，还包括与啮合机构(17)结构相同的剥离机构(18)，设置在水平板带(8)与竖直板带(5)的分离位置。

6.如权利要求1所述的一种臂杆伸缩机构，其特征在于，还包括固定环(19)；底座(1)上连接固定环(19)，固定环(19)内环成齿槽形状，与水平板带(8)外圈的齿相配合，约束水平板带(8)的沿圆周方向的自由度。

7.如权利要求6所述的一种臂杆伸缩机构，其特征在于，还包括3个固定圆柱(7)，其外圆与水平板带(8)内圆相切。

8.如权利要求1所述的一种臂杆伸缩机构，其特征在于，所述传动机构包括电机(9)、主动齿轮(10)和从动齿轮(11)；电机(9)固定在水平板带存储筒(2)上，输出轴连接主动齿轮(10)，主动齿轮(10)与从动齿轮(11)啮合，从动齿轮(11)套在转子(13)外侧，并与转子(13)固连，电机(9)转动时，通过两个齿轮驱动转子(13)绕定子(20)转动。