CN106134337B - 一种月球表面取样装置的机械臂机构 - Google Patents

Abstract

一种月球表面取样装置的机械臂机构，传动轴固定于支架上，左端接电机，传动轴上安装有左、右蜗杆，蜗杆的接触端有支撑板，蜗杆的非接触端分别固定在两个单向超越离合器的外环上，超越离合器的内环固定于传动轴上，主轴与传动轴垂直安装在支架上，左蜗轮连接在主轴上并与左蜗杆啮合，右蜗轮的一端支撑在支架上，右蜗轮的另一端通过偏心轴连接第一连杆，右蜗轮与右蜗杆啮合；机械臂杆一端安装转轴，转轴在主轴上，第二连杆的一端铰接于机械臂杆底部，另一端经上滑套与主轴连接；上、下滑套安装在主轴上，上滑套可围绕主轴回转，下滑套通过包套与上滑套固定并可与上滑套一起沿主轴上下滑动，上、下滑套之间可相对转动；下滑套与第一连杆另一端相连。

Description

一种月球表面取样装置的机械臂机构

技术领域

本发明涉及一种机械臂结构，特别是一种用于月球表面取样的两自由度的机械臂结构。

背景技术

深空探测活动中，着陆器在星体表面实现软着陆后，对星体表面进行探测取样，并将获取的有价值的样品返回地球，是深空探测中的重要任务和关键技术。月球表面取样装置主要对月球表面及浅层的月壤进行采取，并将获取的月壤样品通过机械臂转运到返回舱口，再通过转运机构送入返回舱中。

机械臂属于机械人领域，其已广泛应用于各种工业场合，传统工业机械臂是为满足地面需要而设计的，取样机械臂与工业机械臂是完全不同设计理念，这是由于需求功能的特殊性与工作环境特点决定的。

月表取样装置是无人自主月球取样返回飞行任务的有效载荷之一，本发明取样器的接口应为着陆器和巡视器，取样方式为钻孔取样无人自主返回取样与现场取样，取样工作模式为无人自主控制。这就要求着陆器在抵达较平坦的月面后，解锁自动取样器的机械臂，将自动取样器通过机械臂摆动到地面，机械臂可以移动以避开月表月岩。选定钻采地点后，锁死机械臂，自动取样器伸出钻头进行钻采作业。通过布置在自动取样器内的传感器可以探测月壤的阻力以确定钻头的转速，空心的钻头用于收集月壤样品。当钻探到指定深度后，展开取心机构密闭岩心，提取钻头完全回缩到取样器内部。确认钻头内收集到的月壤满足目标值后，通过机械臂提升自动取样器至初始位置返回舱口，自动取样器转运机构将月壤送入返回舱。从以上功能分析可知，机械臂应具有两个回转自由度，即实现下落回转与避障摆动，即可满足基于着陆器接口的使用要求。

目前世界上除APOLLO载人登月取回样品外，实现无人自主取样返回人类只成功三次，均为前苏联完成，其月球探测器型号分别为LUNA-16，LUNA-20和LUNA-24，三次成功取样事件的技术均为基于着陆器的钻孔取样方法。由于无法直接获取以上钻孔取样相关的任何机械臂资料，只能从前苏联一些宣传资料得知LUNA-16，LUNA-20采用了机械臂，并推断出该种机械臂应具有两旋转自由度，其基本功能用于钻机下落、选择采样地点、提供钻进反重力、回到原始位置进行回收样品等。

近些年来，美国与欧洲针对火星设计了很多取样器，基本都是微型现场取样用的取样器，没有考虑与返回舱的接口，也就没有类似返回功能的取样器。俄罗斯计划于2009年发射PHOBOS-GRUNT对“火卫一”进行人类首次火星无人自主取样返回任务，其上的取样器采用类似LUNA-24的深层钻孔取样方案，该方案不需要机械臂，采用柔性运土机构取样深度大，但取样方案的技术难度较大，且只能钻采一次，相比于机械臂方案增加了取样风险。

美国于2008年7月发射的“凤凰号”搭载了具有现场取样、在线分析功能，取样装置为三自由度的机械臂，且外挂具有局部自由度的铲斗，用于挖掘火星极地的表层土壤，由于“凤凰号”的科学目标是针对火星北极地域的冰层取样设计的，机械臂的每个自由度均采用对应的电机进行驱动，与传统工业机械臂的设计相似，但外界也无法得知相关的技术细节。

国内目前尚未开展无人自主取样的研究，也没有基于着陆器和巡视器的星体取样机械臂的设计。

为了我国探月工程的顺利实施，制定了两种并行方案，其中一种方案迫切的需要一种接口为着陆器和巡视器，取样方式为无人自主返回取样与现场取样，取样工作模式为无人自主控制的取样装置两自由度机械臂结构。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种采用单电机驱动，实现两自由度顺序运动的高可靠月球表面取样装置的机械臂机构。

本发明的技术解决方案是：一种月球表面取样装置的机械臂机构，包括传动轴、左蜗杆、右蜗杆、支架、左单向超越离合器、右单向超越离合器、主轴、左蜗轮、右蜗轮、第一连杆、第二连杆、机械臂杆、上滑套、包套及下滑套；传动轴固定于支架上，传动轴的左端连接电机的转轴，传动轴上安装有左蜗杆和右蜗杆，传动轴通过滚针支撑左蜗杆和右蜗杆的旋转，左蜗杆和右蜗杆的接触端通过支撑板承受轴向载荷和径向支撑，左蜗杆和右蜗杆的非接触端分别固定在左单向超越离合器和右单向超越离合器的外环上，左单向超越离合器和右单向超越离合器的内环固定于传动轴上，主轴与传动轴空间垂直安装在支架上并能够回转，左蜗轮连接在主轴上并与左蜗杆啮合，右蜗轮的一端回转支撑在支架上，右蜗轮的另一端通过偏心轴连接第一连杆，右蜗轮与右蜗杆啮合；机械臂杆的一端安装有转轴，机械臂杆可围绕转轴摆动，转轴固定在主轴上，机械臂杆可在主轴的带动下回转，第二连杆的一端铰接于机械臂杆靠近主轴一端的底部，第二连杆的另一端通过上滑套与主轴连接；上滑套与下滑套安装在主轴上，上滑套可围绕主轴回转并上下滑动，下滑套通过包套与上滑套固定并可与上滑套一起沿主轴上下滑动，上滑套与下滑套之间可相对转动；下滑套与第一连杆的另一端相连。

所述的传动轴通过径向轴承和推力轴承固定在支架上，径向轴承用于承受由左蜗杆或右蜗杆通过滚针传递至传动轴上的径向力，推力轴承用于承受左蜗杆通过左单向超越离合器外环或右蜗杆通过右单向超越离合器外环传递的轴向力。

所述的滚针沿传动轴的轴向布置有三段，中间段长度等于支撑板的厚度并与支撑板接触。

所述的转轴与主轴之间，或者机械臂杆与第二连杆的铰接处进行抗磨处理并涂敷真空润滑材料。

所述的左单向超越离合器和右单向超越离合器为弹簧楔块式结构。

所述的主轴通过四点接触的辊子轴承和滑动轴承与支架连接。

所述的支架与主轴的接触位置安装有密封油封。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中采用两单向超越离合器分别将电机的正转运动驱动对应的一个单向超越离合器顺时针方向输出转动，电机反转时驱动另一个单向超越离合器逆时针方向输出的转动的两自由度的顺序运动，两个方向旋转时分别由不同的蜗杆带动对应的蜗轮旋转，由此带动机械臂杆在水平和垂直方向上的转动或摆动，使单个电机通过旋向的不同实现两自由度机构的顺序运动，与传统机械臂相比减少了一个电机，同时节省一套电控制和热控单元，提高了机械臂的可靠性，实现了轻量化设计；两个相互独立的转动自由度空间悬停姿态保持能力分别通过具有自锁和变速功能的蜗轮蜗杆副实现，具有回转与摆动两自由度可以实现取样钻机的上下摆动避让障碍、选采地点、提供钻采的反重力等功能，实现准确回到返回舱口的运动轨迹；

(2)传动轴通过径向轴承和推力轴承固定在支架上，结构的合理布局实现了两蜗杆工作载荷的径向力和轴向力的滚动摩擦传递，减小了摩擦力；

(3)通过滚针支撑蜗杆和传动轴，可有效保证蜗杆和传动轴之间的接触刚度，滚针的排列使得蜗杆和传动轴具有一个整体的刚性，在传动轴与蜗杆一起回转处形成刚性支撑，在传动轴与蜗杆相对回转处为滚动摩擦，减小了摩擦力并保持刚性支撑，中间段的滚针分别与传动轴和支撑板接触，提高传动轴系的径向刚度；

(4)转动轴、支架外的所有铰接处均进行溅射真空润滑涂层的抗磨处理，采用固体润滑轴承，在轴承内径与外径开有多条径向槽，补偿高低温下的转动间隙，避免了真空条件下传动件间的低温冷焊，同时减小了摩擦力；

(5)单向超越离合器为弹簧楔块式结构，该结构可以在零重力下或微重力下条件可靠工作，并具有在一定振动激励下可靠工作的性能。该种离合器具有一定的开启旋转摩擦力矩，正反转时能可靠启动对应的离合器，保证运动的可靠性实现；

(6)主轴通过特制的四点接触的辊子轴承与滑动轴承辅助支撑，并与支架连接，四点接触的轴承原理为转盘轴承，能够在一定的径向尺度和较小的轴向尺度下承受大的弯矩，使结构紧凑、主轴轴系刚度大；

(7)支架体为密闭腔体，在主轴旋转轴处采用氟塑料油封、油封外环与支架固接，内环与主轴固定，在内外环之间有一薄层固连，用于长期飞行期间保持支架体内油脂不会蒸发，采样时薄层段被旋转撕裂，油会逐渐蒸发损失，但由于采样时间较短，低挥发性的油脂保证采样期间的有效润滑。

附图说明

图1为本发明机械臂结构传动轴的俯视剖面图；

图2为本发明机械臂结构的正视剖面图；

图3为本发明机械臂结构的立体结构图；

图4为本发明机械臂结构滑套的剖视图；

图5为本发明机械臂结构滑套中油封的结构图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，为本发明机械臂结构传动轴的结构图。传动轴1通过径向轴承8和推力轴承7固定在支架10上，传动轴1的左端连接电机15的转轴，传动轴1作为主动轴，传动轴1上安装有左蜗杆2和右蜗杆5，传动轴1通过滚针3支撑左蜗杆2和右蜗杆5的旋转，左蜗杆2和右蜗杆5的接触端通过支撑板4承受轴向载荷和径向支撑，左蜗杆2和右蜗杆5的非接触端分别固定在左单向超越离合器12和右单向超越离合器6的外环上，左单向超越离合器12和右单向超越离合器6的内环固定于传动轴1上。

径向轴承8用于承受由左蜗杆2或右蜗杆5通过滚针3传递至传动轴1上的径向力，推力轴承7用于承受左蜗杆2通过左单向超越离合器6外环或右蜗杆5通过右单向超越离合器6外环传递的轴向力。

传动轴1驱动左单向超越离合器12和右单向超越离合器6分别驱动左蜗杆2和右蜗杆5顺序转动，滚针3沿传动轴1的轴线分三段，中间一段长度等于支撑板4的长度，分布在左蜗杆2和右蜗杆5与传动轴1之间，中间的滚针的接触端通过支撑板4承受轴向载荷和径向支撑。

主轴21与传动轴1空间垂直安装在支架10上并能够回转，主轴的底部通过四点接触辊子轴承22和辅助的滑动轴承23支撑回转，左蜗轮16连接在主轴21上并与左蜗杆2啮合，右蜗轮20的一端回转支撑在支架10上，右蜗轮20的另一端通过偏心轴19连接第一连杆18，右蜗轮20与右蜗杆5啮合。

机械臂杆9的一端安装有转轴24，机械臂杆9可围绕转轴24摆动，转轴24固定在主轴21上，机械臂杆9可在主轴21的带动下回转，第二连杆17的一端铰接于机械臂杆9靠近主轴21一端的底部，第二连杆17的另一端通过上滑套25与主轴21连接；上滑套25与下滑套27安装在主轴21上，上滑套25可围绕主轴21回转并上下滑动，下滑套27通过包套26与上滑套25固定并可与上滑套25一起沿主轴21上下滑动，上滑套25与下滑套27之间可相对转动；下滑套27与第一连杆18的另一端相连。

电机15驱动传动轴1正向旋转时，通过左超越离合器12带动左蜗杆2旋转，驱动左蜗轮16与主轴21回转，带动机械臂杆9回转，由于上滑套25与下滑套27可以相对转动，上滑套25与主轴21一起回转，下滑套27与第一连杆18保持不动，包套26使两者不分离。电机15驱动传动轴1反向旋转时，通过右超越离合器6带动蜗杆5旋转，驱动右蜗轮20旋转，右蜗轮20一端的偏心轴19带动第一连杆18驱动下滑套27、上滑套25沿主轴21上下滑动，由此联动第二连杆17上下往复运动，使机械臂杆9围绕转轴24摆动，从而通过电机10的正反转实现机械臂杆9的回转与摆动两自由度顺序运动。同时，实现这两个相互独立的转动自由度空间悬停姿态保持能力分别通过具有自锁和变速功能的蜗轮蜗杆副实现。

推力轴承7一侧固定在支架10上，推力轴承7另一侧用于承受左蜗杆2通过左单向超越离合器12外环或右蜗杆5通过右单向超越离合器6外环传递的轴向力，径向轴承8用于承受由右蜗杆5或左蜗杆2通过滚针3传递至传动轴1上的径向力，径向轴承8的外环与支架10固定，径向轴承8的内环与传动轴1固定，动轴1两端布置同样的推力轴承7和径向轴承8，以此结构解决蜗杆载荷力的传递。

由于需要在环境高低温差300摄氏度条件下工作，热涨系数不同和温度分布不均会造成转动间隙变化，转轴24与机械臂杆9和第二连杆17的转动副进行运动间隙适配性设计，采用铜基固体润滑轴套，在轴承的内外环交替用线切割切径向槽，使轴承结构上能实现径向间隙的调整，在保证运动间隙情况下不会卡死，涂敷真空自润滑材料的抗磨处理防止金属间的低温冷焊。

为解决超越离合器在微重力下和航天力学环境下能可靠工作，选用的左单向超越离合器12和右单向超越离合器6为弹簧楔块式结构，该结构还具有一定的启动力矩，可以有效保证离合器开启的对应性要求。

由于主轴21的支撑空间很短，主轴21通过四点接触的辊子轴承22提供类似转盘支撑，同时采用滑动轴承23辅助支撑，保证轴系的抗弯曲刚度，由于四点接触的辊子轴承22摩擦力较大，初始转配时提供合适的预刚度非常重要。

如图4所示，为本发明机械臂结构滑套的剖视图，下滑套27通过包套26与上滑套25固定，下滑套27与上滑套25之间安装有推力轴承，用于承受下滑套27与上滑套25之间的压力。

支架10是一箱体密闭结构，只有主轴21与第一连杆18伸出箱体外部，飞行发射前此两处进行硅胶密封，箱体内涂有特制的高低温、真空环境下低挥发的硅油。在主轴21动密封转轴处安装密封氟塑料油封28，如图5所示。油封外环29与支架10固接，内环31与主轴21固定，在内外环之间有一薄层段30固连，用于长期飞行期间保持支架体内油脂不会蒸发，采样时油封28的薄层段30被旋转撕裂，油会逐渐蒸发损失，但由于采样时间较短，一种低挥发性的硅油可以保证采样期间有效润滑。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种月球表面取样装置的机械臂机构，其特征在于包括：传动轴(1)、左蜗杆(2)、右蜗杆(5)、支架(10)、左单向超越离合器(12)、右单向超越离合器(6)、主轴(21)、左蜗轮(16)、右蜗轮(20)、第一连杆(18)、第二连杆(17)、机械臂杆(9)、上滑套(25)、包套(26)及下滑套(27)；传动轴(1)固定于支架(10)上，传动轴(1)的左端连接电机(15)的转轴，传动轴(1)上安装有左蜗杆(2)和右蜗杆(5)，传动轴(1)通过滚针(3)支撑左蜗杆(2)和右蜗杆(5)的旋转，左蜗杆(2)和右蜗杆(5)的接触端通过支撑板(4)承受轴向载荷和径向支撑，左蜗杆(2)和右蜗杆(5)的非接触端分别固定在左单向超越离合器(12)和右单向超越离合器(6)的外环上，左单向超越离合器(12)和右单向超越离合器(6)的内环固定于传动轴(1)上，主轴(21)与传动轴(1)空间垂直安装在支架(10)上并能够回转，左蜗轮(16)连接在主轴(21)上并与左蜗杆(2)啮合，右蜗轮(20)的一端回转支撑在支架(10)上，右蜗轮(20)的另一端通过偏心轴(19)连接第一连杆(18)，右蜗轮(20)与右蜗杆(5)啮合；机械臂杆(9)的一端安装有转轴(24)，机械臂杆(9)可围绕转轴(24)摆动，转轴(24)固定在主轴(21)上，机械臂杆(9)可在主轴(21)的带动下回转，第二连杆(17)的一端铰接于机械臂杆(9)靠近主轴(21)一端的底部，第二连杆(17)的另一端通过上滑套(25)与主轴(21)连接；上滑套(25)与下滑套(27)安装在主轴(21)上，上滑套(25)可围绕主轴(21)回转并上下滑动，下滑套(27)通过包套(26)与上滑套(25)固定并可与上滑套(25)一起沿主轴(21)上下滑动，上滑套(25)与下滑套(27)之间可相对转动；下滑套(27)与第一连杆(18)的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的一种月球表面取样装置的机械臂机构，其特征在于：所述的传动轴(1)通过径向轴承(8)和推力轴承(7)固定在支架(10)上，径向轴承(8)用于承受由左蜗杆(2)或右蜗杆(5)通过滚针(3)传递至传动轴(1)上的径向力，推力轴承(7)用于承受左蜗杆(2)通过左单向超越离合器(6)外环或右蜗杆(5)通过右单向超越离合器(6)外环传递的轴向力。

3.根据权利要求1或2所述的一种月球表面取样装置的机械臂机构，其特征在于：所述的滚针(3)沿传动轴(1)的轴向布置有三段，中间段长度等于支撑板(4)的厚度并与支撑板(4)接触。

4.根据权利要求3所述的一种月球表面取样装置的机械臂机构，其特征在于：所述的转轴(24)与主轴(21)之间，或者机械臂杆(9)与第二连杆(17)的铰接处进行抗磨处理并涂敷真空润滑材料。

5.根据权利要求3所述的一种月球表面取样装置的机械臂机构，其特征在于：所述的左单向超越离合器(12)和右单向超越离合器(6)为弹簧楔块式结构。

6.根据权利要求3所述的一种月球表面取样装置的机械臂机构，其特征在于：所述的主轴(21)通过四点接触的辊子轴承(22)和滑动轴承(23)与支架(10)连接。

7.根据权利要求3所述的一种月球表面取样装置的机械臂机构，其特征在于：所述的支架(10)与主轴(21)的接触位置安装有密封油封(28)。