CN108870034B - 一种适应月面环境的机器人化全景相机转台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转台，特别涉及一种适应月面环境的机器人化全景相机转台。包括俯仰关节、方位关节、基连杆、火工锁紧单元及相机安装板，其中方位关节的一端与基连杆连接，另一端与俯仰关节的一端连接，俯仰关节的另一端与相机安装板连接，火工锁紧单元与方位关节和相机安装板连接。本发明的全景相机转台应用于月面及深空探测，和高、低温、真空、月尘、辐射等恶劣工况环境，为相机等功能载荷提供二维协同自由转动功能。

Description

一种适应月面环境的机器人化全景相机转台

技术领域

本发明涉及一种转台，特别涉及一种适应月面环境的机器人化全景相机转台。

背景技术

现有相机作为功能件的二维转动机构多采用地平式二维转动机构，包括在月面上使用的相机转台、对地监测设备转台等，受机构构造限制，大多搭载一台相机，不能实现全景立体成像，机构转动不够灵活，相机可视范围局限。并且转台要在月面工作，需克服火箭发射时振动、冲击，以及月面严酷的高低温环境条件。现有深空探测类二维转动机构为了降低振动带来的危害，选择将机构固定在星体上，工作时再将二维转动机构展开释放出去，如此将增加一个转动单元，势必使得机构整体复杂程度增加、重量等资源增加，不符合航天重量轻、功耗小的要求。

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化全景相机转台，以解决传统二维转动机构搭载一台相机，可视范围局限等问题。

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化全景相机转台，包括俯仰关节、方位关节、基连杆、火工锁紧单元及相机安装板，其中方位关节的一端与基连杆连接，另一端与俯仰关节的一端连接，所述俯仰关节的另一端与相机安装板连接，所述火工锁紧单元与方位关节和相机安装板连接。

所述俯仰关节轴线和相机安装板平行，所述俯仰关节和方位关节的轴线垂直。

所述俯仰关节和方位关节的结构相同，均包括关节外壳、输出连杆、电机、减速器及输出法兰，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，所述电机和减速器设置于关节外壳内、且减速器的输出轴由所述关节外壳内伸出与输出法兰连接，所述输出法兰与所述输出连杆连接。

所述关节外壳的两端分别设有方位关节端盖和俯仰关节端盖，所述方位关节端盖与所述电机相对应、且与所述关节外壳连接，所述俯仰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。

所述火工锁紧单元包括火工品、火工锁紧杆、锁紧螺母及螺杆，其中火工品设置于所述方位关节上，所述火工锁紧杆的一端通过螺杆与火工品连接、且通过锁紧螺母锁紧，所述火工锁紧杆的另一端与所述俯仰关节上的相机安装板连接，从而实现有效载荷的锁紧。

所述火工锁紧杆的一端设有空腔，所述空腔内设有火工防冲击件，所述螺杆穿过所述火工防冲击件与所述火工品的方形接口连接。

所述火工防冲击件为采用铝质材料制成的塔型结构。

所述螺杆上连接有防止所述锁紧螺母转动的螺母防松件。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明的全景相机转台应用于月面及深空探测，和高低温恶劣环境，为相机等功能载荷提供二维协同自由转动功能。

2.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。

3.本发明中选用的是火工品通电后，其内部的火药被引爆，产生高压气体，剪断安全销，火工品下方的螺杆会飞出，实现有效载荷的释放；本发明通过火工防冲击件飞出的螺杆得到减速，最终会挂在火工锁紧杆上，不会飞出影响其他的设备。

附图说明

图1为本发明的结构示意图之一；

图2为本发明的结构示意图之二；

图3为本发明中俯仰关节和方位关节的结构示意图；

图4为本发明中俯仰关节和方位关节的纵向剖视图之一；

图5为本发明中俯仰关节和方位关节的纵向剖视图之二；

图6为本发明中俯仰关节和方位关节的横向剖视图；

图7为本发明中俯仰关节和方位关节的关节外壳的结构示意图；

图8为本发明中俯仰关节和方位关节的输出连杆的结构示意图；

图9为本发明中火工锁紧单元的结构示意图；

图10为本发明中火工锁紧单元的内部结构示意图；

图11为本发明中火工锁紧单元处于释放状态的结构示意图之一；

图12为本发明中火工锁紧单元处于释放状态的结构示意图之二。

图中：1为火工品，2为火工锁紧杆，3为火工防冲击件，4为锁紧螺母，5为螺母防松件，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为方位关节端盖，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为俯仰关节端盖，20为俯仰关节，21为方位关节，22为基连杆，23为火工锁紧单元，24为相机安装板，25为螺杆，26为螺钉。

具体实施方式

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1-2所示，本发明提供的一种适应月面环境的机器人化全景相机转台，包括俯仰关节20、方位关节21、基连杆22、火工锁紧单元23及相机安装板24，其中方位关节21的一端与基连杆22连接，另一端与俯仰关节20的一端连接，俯仰关节20的另一端与相机安装板24连接，火工锁紧单元23与方位关节21和相机安装板24连接。

俯仰关节20轴线和相机安装板24平行，俯仰关节20和方位关节21的轴线垂直，方位关节21负责方位水平方向转动，俯仰关节20负责俯仰竖直方向转动，两关节是转台设备的核心部件。

如图3-6所示，俯仰关节20和方位关节21的结构相同，均包括关节外壳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，减速器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的两端分别设有方位关节端盖13和俯仰关节端盖19，方位关节端盖13与电机8相对应、且与关节外壳6连接，俯仰关节端盖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6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，关节外壳6和输出连杆7均为中空的L型结构，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7-8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，以保证关节在发射过程中可以承受轴向力。轴承10的内圈套在关节外壳6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，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。

如图9-10所示，火工锁紧单元23包括火工品1、火工锁紧杆2、锁紧螺母4及螺杆25，其中火工品1设置于设备的方位关节21上，火工锁紧杆2的一端通过螺杆25与火工品1连接、且通过锁紧螺母4锁紧，火工锁紧杆2的另一端与设备的俯仰关节20上的有效载荷安装板24连接，从而实现有效载荷的锁紧。

火工锁紧杆2的一端设有空腔，空腔内设有火工防冲击件3，螺杆25穿过火工防冲击件3与火工品1的方形接口连接。火工防冲击件3为采用铝质材料制成的塔型结构。

螺杆25上连接有防止锁紧螺母4转动的螺母防松件5，螺母防松件5为L型结构，其一端与螺杆25连接，另一端与锁紧螺母4接触，防止锁紧螺母4转动。

进一步地，螺母防松件5通过螺钉26与螺杆25的端部连接。

火工锁紧杆2为A字型结构，该设计强度高、连接稳定。空腔设置于A字型结构的顶部，空腔与火工品1接触的一端的三面设有凸台，可承受三个方向的振动冲击，使振动时的力通过火工品本体传到有效载荷基体上。一面为斜坡面，能够承受该方向一定的作用力，而且方便在解锁之后，俯仰关节顺利转动。火工锁紧杆2与有效载荷安装板24连接的一端为A字型结构，A字型结构底部的两个腿通过螺钉与有效载荷安装板24连接。

考虑到火工品1起爆解锁之后，下端的螺杆25会高速弹出，为接住螺杆25防止其弹出损伤其他设备，并且减小其对有效载荷的冲击，根据其脱出的长度，在火工锁紧杆2的一端设计有一个杯型空腔来容纳脱出的螺杆25。并且在杯型空腔内放置有一塔型纯铝制成的火工防冲击件3。在冲击的压力作用下，塔型的火工防冲击件3会被从上至下一层一层的压扁，从而达到吸收冲击能量的作用。在火工品连接螺母的下方，还有防止其松动的防松件。

该连接方式的防松也是关键，在发射过程中一旦松动，刚度将会大大下降。因此，在螺杆25的下方，不但用锁紧螺母4锁紧，还要对锁紧螺母4安装限制其转动的螺母防松件5。

在发射过程中，为提高机械臂的刚度，采用自身“抱臂”式锁紧方式。两个关节均转动至一侧极限位置，使其输出连杆紧贴在关节外壳外侧，并通过压紧释放装置将其连成一体，如图9所示。

火工品起爆之后，设备进入工作模式，可以正常转动。飞出的螺杆，因为防冲击件的作用，得到减速，最终会挂在火工锁紧杆上，不会飞出影响其他的设备，如图11-12所示。

本发明为有效载荷发射时提供锁紧状态，起到提高刚性、抵抗振动的目的。当有效载荷处于锁紧状态时，火工品1通过螺钉安装在方位关节下方，火工锁紧杆2的A型的两个“脚”通过螺钉安装在有效载荷一端，“杯型内腔”内放入火工防冲击件3(塔顶在火工品一端)，然后穿入火工品下方的螺杆25，扣在火工品1的方形接口上。火工锁紧杆2与火工品1之间通过锁紧螺母4相连接。同时为了防止锁紧螺母4松动，在锁紧螺母端安装有螺母防松件5，螺母防松件5通过螺钉26固定在螺杆25的下端。

本发明中选用的是火工品1，通电后，其内部的火药被引爆，产生高压气体，剪断安全销，火工品1下方的螺杆25会飞出。空间中没有阻力，高速飞出的物体是极其危险的，可能会损坏其他的设备。因此，本压紧释放装置的另一个任务就是要为飞出的螺杆25减速及接住螺杆25，以防其损坏其他设备。

当火工品1起爆，螺杆25会从火工品1内部脱离，射出并压扁火工防冲击件3，挂在火工锁紧杆2上。从此转台脱离锁紧状态，可以进行上电转动操作，方位关节可左右±90°转动，俯仰关节可上下±90°转动，如图11-12所示。

发明采用两关节机械臂机器人搭载两台全景相机，实现高精度、多输入多输出、耦合性强的二维转动系统。本发明中机器人关节采用模块化设计，两个关节轴系特征一致。并且为了满足发射时力学环境的考验，采用机械臂自身“抱臂”，火工锁紧的方式，既提高了刚性，又减少了一个关节的使用，降低了资源的消耗。

基连杆22作为整个设备的承力零件，采用四分之一椭圆弯管构型，其轴向剖面为四分之一椭圆线，径向剖面为圆环，较直管或直角弯管更有效的承受火箭发射时带来的振动和冲击。

相机安装板24通过螺钉与俯仰关节20的输出连杆相连。相机安装板24采用高强度的碳纤维复合材料制成，具有重量轻、强度高、模态高等特点。相机安装板为了搭载两台相机，采用对称设计，安装面并具有一定的倾斜角度，以此使得两个相机具有最佳的立体成像角度。在设计上，并考虑了相机质心的位置，设计计算输出连杆的长度，以使得相机的质心在俯仰关节的转动轴线上，因此使得俯仰关节的转动惯量最小。

考虑到太空环境下可能出现的“冷焊”现象，在关节输出连杆与关节外壳，以及火工连接杆与火工品之间，这种锁紧状态时接触、展开状态时分离的地方，镀有粘接二硫化钼镀层。考虑到月面的高温环境，以及电机自身产生的热量，在转台本体表面镀有KS-Z热控涂层，已达到控温的目的。

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 (5)

1.一种适应月面环境的机器人化全景相机转台，其特征在于，包括俯仰关节（20）、方位关节（21）、基连杆（22）、火工锁紧单元（23）及相机安装板（24），其中方位关节（21）的一端与基连杆（22）连接，另一端与俯仰关节（20）的一端连接，所述俯仰关节（20）的另一端与相机安装板（24）连接，所述火工锁紧单元（23）与方位关节（21）和相机安装板（24）连接；

所述火工锁紧单元（23）包括火工品（1）、火工锁紧杆（2）、锁紧螺母（4）及螺杆（25），其中火工品（1）设置于所述方位关节（21）上，所述火工锁紧杆（2）的一端通过螺杆（25）与火工品（1）连接、且通过锁紧螺母（4）锁紧，所述火工锁紧杆（2）的另一端与所述俯仰关节（20）上的相机安装板（24）连接，从而实现有效载荷的锁紧；

所述火工锁紧杆（2）的一端设有空腔，所述空腔内设有火工防冲击件（3），所述螺杆（25）穿过所述火工防冲击件（3）与所述火工品（1）的方形接口连接；

所述火工防冲击件（3）为采用铝质材料制成的塔型结构；

所述俯仰关节（20）和方位关节（21）的结构相同，均包括关节外壳（6）、输出连杆（7）、电机（8）、减速器（9）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，所述电机（8）和减速器（9）设置于关节外壳（6）内、且减速器（9）的输出轴由所述关节外壳（6）内伸出与输出法兰（11）连接，所述输出法兰（11）与所述输出连杆（7）连接；

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）。

2.根据权利要求1所述的适应月面环境的机器人化全景相机转台，其特征在于，所述俯仰关节（20）轴线和相机安装板（24）平行，所述俯仰关节（20）和方位关节（21）的轴线垂直。

3.根据权利要求1所述的适应月面环境的机器人化全景相机转台，其特征在于，所述关节外壳（6）的两端分别设有方位关节端盖（13）和俯仰关节端盖（19），所述方位关节端盖（13）与所述电机（8）相对应、且与所述关节外壳（6）连接，所述俯仰关节端盖（19）与所述减速器（9）相对应、且与所述输出连杆（7）连接。

4.根据权利要求1所述的适应月面环境的机器人化全景相机转台，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。

5.根据权利要求1所述的适应月面环境的机器人化全景相机转台，其特征在于，所述螺杆（25）上连接有防止所述锁紧螺母（4）转动的螺母防松件（5）。