CN108858166A - 一种适应月面环境的机器人模块化活动关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种适应月面环境的机器人模块化活动关节。包括关节外壳、输出连杆、旋转驱动装置及输出法兰，其中输出连杆套设于关节外壳的外侧、且与关节外壳转动连接，旋转驱动装置设置于关节外壳内、且通过输出法兰与输出连杆连接。本发明应用于月面及深空，和高低温恶劣无人环境下的作业、探测，可根据任务组成所需要的多自由度机械臂，达到完成既定复杂任务的作用。

Description

一种适应月面环境的机器人模块化活动关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种适应月面环境的机器人模块化活动关节。

背景技术

空间机械臂安装于空间站、月球车、卫星等空间平台，即可用于空间站的建设、维护和月面探测和作业等工作，又能用于载荷的捕获、搬运、更换和维修等操作。现有多自由度空间用机械臂或者转动机构多采用单一任务设计，不能达到通用性，并且设计任务量大，机构复杂，周期长。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种适应月面环境的机器人模块化活动关节，以应用于月面及深空，和高低温恶劣无人环境下的作业、探测，可根据任务组成所需要的多自由度机械臂，达到完成既定复杂任务的作用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种适应月面环境的机器人模块化活动关节，包括关节外壳、输出连杆、旋转驱动装置及输出法兰，其中输出连杆套设于所述关节外壳的外侧、且与所述关节外壳转动连接，所述旋转驱动装置设置于所述关节外壳内、且通过输出法兰与所述输出连杆连接。

所述旋转驱动装置包括电机和减速器，其中电机的输出轴与减速器的输入轴连接，所述减速机的输出轴由所述关节外壳内伸出、且与所述输出法兰连接。

所述关节外壳的内部为阶梯结构，所述减速器和电机通过螺栓固定在所述关节外壳内、且通过内止口轴向限位。

所述关节外壳的两端分别设有第一关节端盖和第二关节端盖，所述第一关节端盖与所述电机相对应、且与所述关节外壳连接，所述第二关节端盖与所述减速器相对应、且与所述输出连杆连接。

所述电机的相对两侧分别设有一行程开关，所述行程开关的触头伸出在所述输出连杆与所述关节外壳之间的转动界面上，所述输出连杆的内壁上设有一行程开关触头，所述输出连杆正反向转动至极限位置时，通过行程开关触头触发所述行程开关。

所述关节外壳和所述输出连杆均为中空的L型结构。

所述输出连杆的一端通过轴承与所述关节外壳的一端连接、且通过所述关节外壳上的轴肩轴向限位。

所述输出连杆的外径与所述关节外壳的外径相等。

所述关节外壳和所述输出连杆的另一端内壁上分别设有公头和母头。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明适用于空间任务环境的通用性、模块化活动关节，根据任务的不同，可快速设计不同的接口，然后组装成需要的自由度机械臂。

2.本发明关节模块化设计，即相同的轴系结构，采用不同的接口，将其串联成多维度多自由度机械臂。

3.本发明关节轴系的设计集成化程度很高，关节外壳既是转动的基准轴，又是步进电机和行星减速器的安装座。步进电机和行星减速器串联，分别均安装在关节外壳内部，如此既能保证不同外形尺寸、没有统一安装接口的电机和减速器能精密安装在一起，又能保证在高低温环境下，电机和减速器不至于受温度影响导致轴系变形。

4.本发明轴系采用阶梯轴设计，既考虑了装配，又缩短了轴系的长度，节省了空间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的纵向剖视图之一；

图3为本发明的纵向剖视图之二；

图4为本发明的横向剖视图；

图5为本发明的关节外壳的结构示意图；

图6为本发明的输出连杆的结构示意图。

图中：6为关节外壳，7为输出连杆，8为电机，9为减速器，10为轴承，11为输出法兰，12为轴承端盖，13为第一关节端盖，14为输出螺钉，15为行程开关，16为行程开关触头，17为公头，18为母头，19为第二关节端盖。

具体实施方式

根据空间零重力或者重力微弱的特点，传统空间用机械臂根据单一任务单批次开发设计，导致设计复杂、周期长等特点。

为此，本发明提供一种适用于空间任务环境的通用性、模块化活动关节。根据任务的不同，可快速设计不同的接口，然后组装成需要的自由度机械臂。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-4所示，本发明提供的一种适应月面环境的机器人模块化活动关节，包括关节外壳6、输出连杆7、旋转驱动装置及输出法兰11，其中输出连杆7套设于关节外壳6的外侧、且与关节外壳6转动连接，旋转驱动装置设置于关节外壳6内、且通过输出法兰11与输出连杆7连接。

旋转驱动装置包括电机8和减速器9，其中电机8的输出轴与减速器9的输入轴连接，减速机9的输出轴由关节外壳6内伸出、且与输出法兰11连接。

关节外壳6的内部为阶梯结构，减速器9和电机8通过螺栓固定在关节外壳6内、且通过内止口轴向限位。关节外壳6的两端分别设有第一关节端盖13和第二关节端盖19，第一关节端盖13与电机8相对应、且与关节外壳6连接，第二关节端盖19与减速器9相对应、且与输出连杆7连接。

电机8的相对两侧分别设有一行程开关15，行程开关15的触头伸出在输出连杆7与关节外壳1之间的转动界面上，输出连杆7的内壁上设有一行程开关触头16，输出连杆7正反向转动至极限位置时，通过行程开关触头16触发行程开关15，起到保护的作用。

考虑到月面的高温环境，以及电机8自身产生的热量，在关节表面镀有KS-Z热控涂层，已达到控温的目的。

进一步地，为了满足内部走线的要求，关节外壳6和输出连杆7均为中空的L型结构；为了美观及减重，输出连杆7的外径与关节外壳6的外径相等。输出连杆7的一端通过轴承10与关节外壳6的一端连接、且通过关节外壳6上的轴肩轴向限位。关节外壳6和输出连杆7的另一端内壁上分别设有公头17和母头18，如图5-6所示。

轴承10为角接触球轴承，两个角接触球轴承与输出连杆7一起套入关节外壳6外侧，两轴承10“面对面”安装。小轴承内圈用轴承端盖12进行固定，轴承端盖12用螺钉固定在关节外壳6上。输出法兰11中间的D型孔与减速器的输出轴进行配合，中间并用输出螺钉14进行连接，起到消除D型孔运动间隙的目的；输出法兰11通过螺钉与输出连杆7相连接，传递转动力矩。

轴承10选用一对角接触球轴承，采用“面对面”安装，以保证关节在火箭发射过程中可以承受轴向力。轴承10的内圈套在关节外壳1的轴上，外圈卡在输出连杆7的内部。小轴承一端安装有轴承端盖12，防止轴承从一侧脱离。

本发明关节模块化设计，即相同的轴系结构，采用不同的接口，将其串联成多维度多自由度机械臂。关节轴系的设计集成化程度很高，关节外壳6既是转动的基准轴，又是步进电机和行星减速器的安装座。步进电机和行星减速器串联，分别均安装在关节外壳6的内部，如此既能保证不同外形尺寸、没有统一安装接口的电机和减速器能精密安装在一起，又能保证在高低温环境下，电机和减速器不至于受温度影响导致轴系变形。

轴系采用阶梯轴设计，既考虑了装配，又缩短了轴系的长度，节省了空间。输出法兰11作为连接转动输入端和输出端的零件，分别与行星减速器输出轴和输出连杆7相连接。考虑到火箭发射时的振动，一般的紧定螺钉连接强度不够，本发明选择在行星减速器输出D型轴平面上钻螺纹孔，并用一特制螺钉14将输出法兰11与减速器输出轴连接。

为了充分利用空间，将两个行程开关15安装在电机8两侧，出头伸出在转动的分界面上。并有一行程开关触头16安装在输出连杆7的内壳上。当关节转动至正反两方向极限位置时，会触发行程开关15，以起到保护关节零部件免收撞击的作用。

关节与关节之间的连接通过标准的接口连接。相连接的两部件上分别布置有公头17和母头18，公头17在一个部件上，母头18在另一相邻部件上。装配时，公头17和母头18配合，对准安装插口，然后通过公头17和母头18上对应出预留的螺栓孔固定，这样就可实现两相邻部件的紧固配合。需要变换关节之间的安装方向时，只需要将安装插口设计在相应的位置即可。关节靠接口的配合串联成所需的机械臂，公头17和母头18的位置根据机械臂需要的方位进行变化，其安装面为精加工面，保证其安装定位精度。

本发明应用于月面及深空，和高低温恶劣无人环境下的作业、探测，可根据任务组成所需要的多自由度机械臂，达到完成既定复杂任务的作用。

本发明采用模块化设计的优点有重构性好、冗余性好、装配方便、灵活性好和便于维护。模块化关节集驱动、减速、传感器于一体，集成度高，既缩短了动力传递路径，又可以就近采集传感器信号，提高了可靠性。模块化设计方法不仅使空间机器人及多自由度空间机构的设计和修改变得容易，而且可以缩短开发周期，降低开发费用，使系统的维护变得容易，并提高了系统的互换性。

以上所述仅为本发明的实施方式，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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，包括关节外壳(6)、输出连杆(7)、旋转驱动装置及输出法兰(11)，其中输出连杆(7)套设于所述关节外壳(6)的外侧、且与所述关节外壳(6)转动连接，所述旋转驱动装置设置于所述关节外壳(6)内、且通过输出法兰(11)与所述输出连杆(7)连接。

2.根据权利要求1所述的适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，所述旋转驱动装置包括电机(8)和减速器(9)，其中电机(8)的输出轴与减速器(9)的输入轴连接，所述减速机(9)的输出轴由所述关节外壳(6)内伸出、且与所述输出法兰(11)连接。

3.根据权利要求2所述的适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，所述关节外壳(6)的内部为阶梯结构，所述减速器(9)和电机(8)通过螺栓固定在所述关节外壳(6)内、且通过内止口轴向限位。

4.根据权利要求2所述的适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，所述关节外壳(6)的两端分别设有第一关节端盖(13)和第二关节端盖(19)，所述第一关节端盖(13)与所述电机(8)相对应、且与所述关节外壳(6)连接，所述第二关节端盖(19)与所述减速器(9)相对应、且与所述输出连杆(7)连接。

5.根据权利要求2所述的适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，所述电机(8)的相对两侧分别设有一行程开关(15)，所述行程开关(15)的触头伸出在所述输出连杆(7)与所述关节外壳(6)之间的转动界面上，所述输出连杆(7)的内壁上设有一行程开关触头(16)，所述输出连杆(7)正反向转动至极限位置时，通过行程开关触头(16)触发所述行程开关(15)。

6.根据权利要求1所述的适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，所述关节外壳(6)和所述输出连杆(7)均为中空的L型结构。

7.根据权利要求6所述的适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，所述输出连杆(7)的一端通过轴承(10)与所述关节外壳(6)的一端连接、且通过所述关节外壳(6)上的轴肩轴向限位。

8.根据权利要求7所述的适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，所述输出连杆(7)的外径与所述关节外壳(6)的外径相等。

9.根据权利要求7所述的适应月面环境的机器人模块化活动关节，其特征在于，所述关节外壳(6)和所述输出连杆(7)的另一端内壁上分别设有公头(17)和母头(18)。