CN108638040A - 一种可重构式机械臂 - Google Patents

Abstract

一种可重构式机械臂，包括操作功能模块、外部平台，还包括至少一个运动功能模块或者任意多个运动功能模块的组合，所述运动功能模块包括俯仰模块及旋转模块，所述任意多个运动功能模块的组合包括俯仰模块和/或旋转模块通过伸缩模块或者通用连杆模块连接而成；所述各运动功能模块的两端均设有实现任意连接的统一化机械接口。本发明提供一种重构式机械臂，可以方便、快捷的搭建出满足空间站不同任务需求的机械臂构型。

Description

一种可重构式机械臂

技术领域

本发明属于机械技术领域，特别是涉及一种可重构式机械臂。

背景技术

随着我国空间站战略计划实施，对于航天器舱内舱外的各种任务需求的增加，为解决航天器在轨维修维护以及舱外的运行监测等问题，基于模块化可重构的设计思想，设计可重构式机械臂的运动功能模块。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种可重构式机械臂，可以方便、快捷的搭建出满足空间站不同任务需求的机械臂构型。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可重构式机械臂，包括操作功能模块、外部平台，还包括至少一个运动功能模块或者任意多个运动功能模块的组合，所述运动功能模块包括俯仰模块及旋转模块，所述任意多个运动功能模块的组合包括俯仰模块和/或旋转模块通过伸缩模块或者通用连杆模块连接而成；所述各运动功能模块的两端均设有实现任意连接的统一化机械接口。

可选的，所述俯仰模块及所述旋转模块均由一个旋转单元及两个转角连杆模块组成；所述转角连杆模块包括通用转角圆盘及转角连杆，所述通用转角圆盘与转角连杆固定连接，二者的中轴线位置形成异面垂直关系；所述俯仰模块由一个旋转单元分别连接两个转角连杆模块的转角圆盘组成；所述旋转模块由一个旋转单元分别连接两个转角连杆模块的转角连杆组成。

可选的，所述旋转单元包括设置在第一外壳内的减速电机，减速电机的输出端通过联轴器与中空轴相接，将速度传递至与第二外壳固接的谐波减速器的输入端，减速器的输出端与设置在第三外壳上的扭矩传感器相接；所述第二外壳与第三外壳相接的一端表面设有凹槽，第三外壳与第二外壳相对应的端面设有凸起的圆环盘，所述凹槽与所述凸起的圆环盘相互配合并可形成相对转动。

可选的，所述通用转角圆盘的端面上设有凹槽，凹槽内部设有通孔，用于与旋转单元或其他运动功能模块连接；所述转角连杆远离与所述转角圆盘连接的一端外侧壁上设有沿径向的凹槽，用于与旋转单元或其他运动功能模块连接。

可选的，所述伸缩模块包括步进电机，所述步进电机设置在主支架上，主动齿轮设置在步进电机的输出轴上，输出齿轮与主动齿轮啮合，传动丝杠的下端与输出齿轮的轴连接，传动丝杠的另一端与伸缩部件螺纹配合形成丝杠螺母副，导向杆下端固定在主支架上，穿过伸缩部件的定位孔，与主支架上盖连接，主支架上端的第一连接底座与伸缩部件上端固定连接。

可选的，所述伸缩模块还包括第二连接底座，所述第一连接底座与第二连接底座的下端面连接，所述第二连接底座的上端面与连接块固定连接，所述连接块用于与运动功能模块或操作功能模块连接。

可选的，所述伸缩模块还包括制动器，所述制动器设置在主动齿轮的输出轴上，用于对所述主动齿轮进行紧急制动。

可选的，所述伸缩模块还包括设置在主支架上的电机支架，所述步进电机置于电机支架上，所述电机支架还用于与其他运动功能模块或操作功能模块连接。

可选的，通用连杆模块包括直连连杆模块或基座连杆模块；

所述直连连杆模块包括对称设置的两个圆盘及设置在两个圆盘之间的定位挡圈；所述直连连杆模块通过两个圆盘分别与两个转角连杆模块连接，所述圆盘的半径与所述转角连杆的内圆半径相同；

所述基座连杆模块包括支撑体及环设在支撑体侧面且靠近支撑体一个端面的多个支座，所述支座设有通孔，所述基座连杆模块通过所述支座与所述外部平台连接；所述基座连杆模块通过支撑体的另一个端面与所述运动功能模块连接。

本发明的有益效果为：

本发明可以利用各运动功能模块的不同组合方式搭建成不同自由度的机械臂基本构型任务，位姿多变灵巧，活动范围广泛具有很强的环境适应能力，且当某一模块出现故障时，可以利用其相同类型模块及时更换，确保任务的顺利执行，也可将各功能模块拆解放置，节省航天器空间，维护简单可靠。

附图说明

图1为本发明实施例提供的机械臂构型1的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的机械臂构型2的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的俯仰模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的旋转模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的转角连杆模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的旋转单元的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的伸缩模块的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的直连连杆模块的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的基座连杆模块的结构示意图；

图中：

1.第一操作功能模块

2.第二操作功能模块

3.旋转单元 301.减速电机 302.电器支架 303.第一外壳 304.第二外壳 305.第三外壳 306.扭矩传感器

307.谐波减速器 308.中空轴 309.联轴器

4.转角连杆模块 401.通用转角圆盘 402.转角连杆

5.伸缩模块 501.第一连接底座 502.第二连接底座 503.连接块 504.伸缩部件505.传动丝杠 506.步进电机 507.电气支架 508.主动齿轮 509.制动器 510.输出齿轮 511.导向杆 512.主支架 513.主支架上盖

6.直连连杆模块 601.圆盘 602.定位挡圈

7.基座连杆模块 701.支撑体 702.支座

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图和实施例对本申请进行详细描述。

图1-2是根据一示例性实施例示出的一种重构式机械臂的结构示意图。如图1-2所示，本实施例的机械臂包括操作功能模块，例如第一操作功能模块1或第二操作功能模块2，外部平台，还包括至少一个运动功能模块或者多个运动功能模块的组合，所述运动功能模块包括俯仰模块、旋转模块，所述多个运动功能模块的组合包括俯仰模块和/或旋转模块通过伸缩单元5或者通用连杆模块连接而成，比如，两个俯仰模块通过伸缩单元5连接，形成长度可调的运动功能模块，或者，一个俯仰模块和一个旋转模块通过通用连杆模块连接起来，实现既可旋转又可俯仰的机械臂功能；所述各运动功能模块的两端均设有实现任意连接的统一化机械接口。

作为本实施例的一个示例，如图1所示，机械臂构型1的主体由6个转角模块和6个旋转单元搭建形成3个俯仰模块和2个旋转模块，机械臂底端为基座连杆模块作为整体支撑，机械臂末端模块采用伸缩模块搭载第一操作功能模块的方式搭建而成；由于该构型具有6个自由度，能够完成一定空间范围内的定位并可对物体进行抓取操作，末端伸缩模块扩大了直线方向的操作范围，使操作更加精准。

作为本实施例的另一个示例，如图2所示，机械臂构型2的主体由4个转角连杆模块以及3个旋转单元搭建形成两个俯仰模块，基座连杆模块支撑整体，末端搭载第二操作功能模块的方式搭建而成；该构型具有3个自由度，直连连杆模块将两个俯仰模块直接相连增加臂长扩大了工作的范围，并限制和调整自由度，使控制更加简便精确。

本实施例可以根据环境情况、任务详情来选择运动功能模块，通过不同组合方式搭建成的不同自由度的机械臂，且在任务过程中可以通过运动功能模块调整机械臂的姿态，控制机械臂的运动，当某一模块出现故障时，可以利用其相同类型模块及时更换，确保任务的顺利执行；任务完成后，可将各功能模块拆解放置，节省航天器空间，维护简单可靠。

下面将对各种运动功能模块及其组合方式详细进行介绍。

如图3-5所示，所述俯仰模块及所述旋转模块均由一个旋转单元3及两个转角连杆模块4组成；所述转角连杆模块4包括通用转角圆盘401及转角连杆402，所述通用转角圆盘401与转角连杆402通过焊接固定连接，二者的中轴线位置形成异面垂直关系，以防止连杆运动过程中死点的出现，在二者相接处的圆盘上要留有通孔，用于内部走线；所述俯仰模块由一个旋转单元3分别连接两个转角连杆模块的通用转角圆盘401组成；所述旋转模块由一个旋转单元3分别连接两个转角连杆模块的转角连杆402组成；

在一种具体实施方式中，所述通用转角圆盘401的端面上设有凹槽，凹槽内部设有通孔，用于与旋转单元3或其他运动功能模块的螺栓连接；所述转角连杆402远离与所述转角圆盘401连接的一端外侧壁上设有沿径向的凹槽，用于与旋转单元3或者其他运动功能模块的连接；所述其他功能模块例如可以为直连连杆模块6，所述凹槽可以加工成半月形，以减轻模块的质量。

本实施例的俯仰模块及旋转模块的实质，就是两个转角连杆模块4的不同组合，将多个转角连杆模块4连接在一起，便可形成机械臂主体，并能搭载末端操作功能模块，因此，转角连杆模块4是搭建机械臂的最小单元模块。

在本实施例中，如图6所示，所述旋转单元3包括设置在第一外壳303内的减速电机301，减速电机301的输出端通过联轴器309与中空轴308相接，将速度传递至与第二外壳304固接的谐波减速器307的输入端，减速器307的输出端与设置在第三外壳305上的扭矩传感器306相接；所述第二外壳304与第三外壳305相接的一端表面设有凹槽，第三外壳305与第二外壳304相对应的端面设有凸起的圆环盘，所述凹槽与所述凸起的圆环盘相互配合并可形成相对转动。

本实施例中的旋转单元3相当于机械臂的关节，它由固定在第一外壳上的步进电机驱动，电机轴通过带动中空轴将运动传递到谐波减速器输入端，减速器输出端连接的扭矩传感器固定于第三外壳上，第二外壳承载中空轴并与第一外壳固接，这样在电机的驱动下第三外壳同与第二外壳相固接的第一外壳形成相对转动，而第一外壳与第三外壳与转角连杆模块相连，这样就使两个模块形成了相对转动。

在本实施例中，图7所示，所述伸缩模块5具体包括步进电机506，所述步进电机506设置在主支架512上，主动齿轮508设置在步进电机506的输出轴上，输出齿轮510与主动齿轮508啮合，传动丝杠505的下端与输出齿轮510的轴连接，传动丝杠505的上端与伸缩部件504螺纹配合形成丝杠螺母副，将旋转运动转变为直线伸缩运动；导向杆511下端固定在主支架512上，穿过伸缩部件504的定位孔，与主支架上盖513连接，主支架512上端的第一连接底座501与伸缩部件504上端固定连接。

可选的，为了使运动能更平稳，所述主动齿轮508可以为左旋斜齿轮，输出齿轮510可以为右旋斜齿轮。

可选的，所述伸缩模块5还包括制动器509，制动器509例如可以固定在与主支架512下部相连的电气支架507上，所述制动器509与主动齿轮508的输出轴连接，用于对所述主动齿轮508进行紧急制动。

需要说明的是，在搭建机械臂构型1时，由于末端模块为操作功能模块，而操作功能模块的连接部分位于中间部分，因此，所述伸缩模块5还包括第二连接底座502，所述第一连接底座501的上端面与第二连接底座502的下端面例如可以通过螺钉连接，所述第二连接底座502的上端面与连接块503例如可以通过焊接固定连接，所述连接块503即可用于与操作功能模块连接，若下一连接模块不是操作功能模块而是其他模块，则也可以直接与501连接即可。

在一种具体实施方式中，可以在伸缩部件底端设置四个均布的凸台，凸台加工有通孔，用于配合固结于主支架上的导向杆，限制其径向移动，以提高运动稳定性，伸缩部件上端可以与第一连接底座底部焊接。

本实施例中的伸缩模块由安装在主支架上的步进电机的电机轴带动齿轮副运动，将运动传递至传动丝杠，传动丝杠与伸缩部件配合形成丝杠螺母副，这样伸缩部件可在导向杆的约束下完成直线伸缩运动；主支架上端连接底座固定在伸缩部件上，可通过连接块与后一模块连接；电机支架固接在主支架上，所述步进电机设置在电机支架上，并可与前一模块连接，从而实现机械臂的伸缩功能。

如图8-9所示，本实施例的所述的通用连杆模块包括直连连杆模块6及基座连杆模块7；

所述直连连杆模块6包括对称设置的两个圆盘601及设置在两个圆盘601之间的定位挡圈602；所述直连连杆模块6通过两个圆盘601分别与两个转角连杆模块4连接，所述圆盘601的半径与所述转角连杆402的内圆半径相同，连接时，定位挡圈602可对转角连杆402进行径向定位；由于直连连杆模块6能够同时通过螺栓连接两个转角连杆模块，这样便能够对机械臂臂长以及自由度进行调整。

所述基座连杆模块7包括支撑体701及环设在支撑体701侧面且靠近支撑体一个端面的多个支座702，所述支座702均布在支撑体701侧面且设有通孔，所述基座连杆模块7通过所述支座702与所述外部平台连接；所述基座连杆模块7通过支撑体701的另一个端面与所述运动功能模块连接；

基座连杆模块7作为机械臂的基础模块，可以设置例如四个支座及一个支撑体，四个加工有通孔的支座均布在中空的圆柱形支撑体下部，该模块位于机械臂输入端，通过底部均匀分布的四个支座与外部平台相接，承载机械臂整体结构且连接电源控制器，是机械臂的根基。

以上所述，仅是本申请较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种可重构式机械臂，包括操作功能模块、外部平台，其特征在于：还包括至少一个运动功能模块或者任意多个运动功能模块的组合，所述运动功能模块包括俯仰模块及旋转模块，所述任意多个运动功能模块的组合包括俯仰模块和/或旋转模块通过伸缩模块（5）或者通用连杆模块连接而成；所述各运动功能模块的两端均设有实现任意连接的统一化机械接口。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：所述俯仰模块及所述旋转模块均由一个旋转单元（3）及两个转角连杆模块（4）组成；所述转角连杆模块（4）包括通用转角圆盘（401）及转角连杆（402），所述通用转角圆盘（401）与转角连杆（402）固定连接，二者的中轴线位置形成异面垂直关系；所述俯仰模块由一个旋转单元（3）分别连接两个转角连杆模块（4）的转角圆盘（401）组成；所述旋转模块由一个旋转单元（3）分别连接两个转角连杆模块（4）的转角连杆（402）组成。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于：所述旋转单元（3）包括设置在第一外壳（303）内的减速电机（301），减速电机（301）的输出端通过联轴器（309）与中空轴（308）相接，将速度传递至与第二外壳（304）固接的谐波减速器（307）的输入端，减速器（307）的输出端与设置在第三外壳（305）上的扭矩传感器（306）相接；所述第二外壳（304）与第三外壳（305）相接的一端表面设有凹槽，第三外壳（305）与第二外壳（304）相对应的端面设有凸起的圆环盘，所述凹槽与所述凸起的圆环盘相互配合并可形成相对转动。

4.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于：所述通用转角圆盘（401）的端面上设有凹槽，凹槽内部设有通孔，用于与旋转单元（3）或其他运动功能模块连接；所述转角连杆（402）远离与所述转角圆盘（401）连接的一端外侧壁上设有沿径向的凹槽，用于与旋转单元（3）或其他运动功能模块连接。

5.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：所述伸缩模块（5）包括步进电机（506），所述步进电机（506）设置在主支架（518）上，主动齿轮（508）设置在步进电机（506）的输出轴上，输出齿轮（510）与主动齿轮（508）啮合，传动丝杠（505）的下端与输出齿轮（510）的轴连接，传动丝杠（505）的另一端与伸缩部件（504）螺纹配合形成丝杠螺母副，导向杆（517）下端固定在主支架（518）上，穿过伸缩部件（504）的定位孔，与主支架上盖（519）连接，主支架（518）上端的第一连接底座（501）与伸缩部件（504）上端固定连接。

6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于：所述伸缩模块（5）还包括第二连接底座（502），所述第一连接底座（501）与第二连接底座（502）的下端面连接，所述第二连接底座（502）的上端面与连接块（503）固定连接，所述连接块（503）用于与运动功能模块或操作功能模块连接。

7.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于：所述伸缩模块（5）还包括制动器（511），所述制动器（511）设置在主动齿轮（508）的输出轴上，用于对所述主动齿轮（508）进行紧急制动。

8.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：所述伸缩模块（5）还包括设置在主支架（518）上的电机支架，所述步进电机（506）置于电机支架上，所述电机支架还用于与其他运动功能模块或操作功能模块连接。

9.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于：通用连杆模块包括直连连杆模块（6）或基座连杆模块（7）；

所述直连连杆模块（6）包括对称设置的两个圆盘（601）及设置在两个圆盘（601）之间的定位挡圈（602）；所述直连连杆模块（6）通过两个圆盘（601）分别与两个转角连杆模块（4）连接，所述圆盘（601）的半径与所述转角连杆（402）的内圆半径相同；

所述基座连杆模块（7）包括支撑体（701）及环设在支撑体（701）侧面且靠近支撑体一个端面的多个支座（702），所述支座（702）设有通孔，所述基座连杆模块（7）通过所述支座（702）与所述外部平台连接；所述基座连杆模块（7）通过支撑体（701）的另一个端面与所述运动功能模块连接。