CN109080857B - 一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构 - Google Patents

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Abstract

一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，包括上套筒(1)、下套筒(2)、缓冲弹簧(3)、缓冲齿槽(4)、圆盘(5)、电机(6)，通过利用电机(6)、圆盘(5)、圆盘(5)内部设置的伸缩楔形滑块(501)及缓冲齿槽(4)的共同联动，实现了在飞行器落地过程中的机构缓冲及缓冲状态与刚性状态的相互转化，与现有技术相比，可重复使用次数更高，减小了现有缓冲机构的体积，同时对保护航天器、飞行机器人的作用更明显，成本更低，可靠性更好。

Description

一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构
技术领域
本发明涉及一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，属于航天器保护领域。
背景技术
目前国内外用于降落过程中的缓冲机构通常采用液压装置或者通过一次性蜂窝结构实现缓冲能力，尤其是后者在实现缓冲的同时需要破坏缓冲结构，往往不具备重复使用能力。例如，《一种用于月面上升的具有姿态调整功能的腿式缓冲装置》(专利号：CN201310339275.3)公开了一种用于月面上升的具有姿态调整功能的腿式缓冲装置，包括缓冲腔体、蜂窝芯子、滑块、缓冲腔体开口端盖、液压缸开口端盖、液压杆、液压缸腔体、活塞、液压缸封闭端盖。然而该专利文件依靠液压系统实现缓冲技术，采用的蜂窝芯子不具备重复使用能力。《一种内置式可伸缩着陆缓冲机构》(专利号：CN201310591811.9)公开了一种内置式可伸缩着陆缓冲机构，包括第一级活塞筒、第二级活塞筒、第三级活塞筒和第四级活塞筒。然而该专利同样依靠油气实现缓冲，同时不具备可重复使用的能力。《载人月球探测器着陆缓冲机构构型方案研究》一文公开了悬臂式着陆缓冲机构构型方案，包括：电机、丝杠、滑块、主缓冲器、辅助缓冲器、足垫。然而该方案基于悬臂式构型利用蜂窝缓冲器实现缓冲，不具有可重复使用的能力。
可见，在不依靠液压系统的情况下，现有技术无法通过结构创新性设计实现缓冲功能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，航天器落地缓冲设备均只能实现机构一次性缓冲、同时需要依靠压式缓冲机构的问题，提出了一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，包括上套筒、下套筒、缓冲弹簧、缓冲齿槽、圆盘、电机，所述上套筒与下套筒开口端相对，所述缓冲弹簧一端设置于上套筒内，所述圆盘固定安装于下套筒开口端并与缓冲弹簧另一端相连，圆盘与设置于上套筒内壁的缓冲齿槽配合，缓冲机构落地时，下套筒底部的电机通过控制圆盘边沿于缓冲齿槽内部的伸缩量调节缓冲弹簧的压缩量，同时缓冲弹簧带动上套筒、下套筒相对运动，缓冲机构减振时，电机控制圆盘边沿完全回缩，并在压缩状态缓冲弹簧的作用下实现上套筒、下套筒位置还原。
所述圆盘包括伸缩楔形滑块、调节弹簧、圆盘上盖、圆盘下盖、U型导轨、圆盘传动组件，所述圆盘传动组件一端与电机输出轴相连，另一端与圆盘下盖相连，圆盘上盖、圆盘下盖固定连接，所述U型导轨设置于圆盘上盖与圆盘下盖的连接空腔中，所述伸缩楔形滑块、调节弹簧均设置于U型导轨内，调节弹簧一端与U型导轨底部相连，另一端与伸缩楔形滑块相连，电机输出轴带动圆盘传动组件转动，圆盘传动组件带动圆盘下盖转动并带动伸缩楔形滑块、调节弹簧及U型导轨沿圆盘下盖径向进行伸缩。
所述伸缩楔形滑块的斜面角度大于等于45度。
所述缓冲齿槽数量通过上套筒侧壁长度除以单层齿距结果取整得到。
所述单层齿距为2cm。
所述缓冲齿槽材料为钛合金。
所述伸缩楔形滑块的材料为钛合金。
优选的，所述U型导轨数量为2个，底部相对并沿圆盘下盖径向安装。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，通过采用圆盘与缓冲大弹簧的连接，并创新的提出圆盘内置的伸缩楔形滑块与内置齿槽相互配合的方式，从缓冲机构的结构创新性设计上实现了飞行机器人降落时的可重复使用缓冲机构，能够代替现有航天器着陆机构所使用的液压式缓冲装置或一次性缓冲结构，例如蜂窝结构、金属切削结构，具备可重复使用能力，在空间环境中应用时不会造成泄露和污染；
(2)本发明提供的缓冲机构，机构整体长度小于400mm，采用铝合金和钛合金材料，重量不超过3kg，可用于小型月面作业机器人或是其他着陆缓冲器，同时采用高强度材料，保证了可重复使用次数超过1000次，具备较高的可靠性和稳定性，大大降低了飞行器着陆材料设计的成本。
附图说明
图1为发明提供的缓冲机构结构示意图一；
图2为发明提供的缓冲机构结构示意图二；
图3为发明提供的缓冲机构刚性状态时内部结构图；
图4为发明提供的缓冲机构降落状态时内部结构图；
图5为发明提供的缓冲机构由弹性状态恢复至刚性状态时内部结构图；
具体实施方式
一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，如图1、图2所示，包括上套筒1、下套筒2、缓冲弹簧3、缓冲齿槽4、圆盘5、电机6，其中，缓冲弹簧3、缓冲齿槽4、安装于上套筒1中，圆盘5、电机6安装于下套筒2中；
缓冲弹簧3设置于上套筒1顶部，用于进行上套筒1及下套筒2缓冲及减震，圆盘5固定安装于下套筒2顶部，圆盘5通过设置于下套筒底部的电机6调节圆盘5内部的伸缩楔形滑块501进行弹簧压缩量调节，缓冲弹簧3底部焊接有固定法兰，法兰与圆盘5相连，同时上套筒1通过缓冲弹簧3及圆盘5与下套筒2固定连接，其中：
所述圆盘5包括伸缩楔形滑块501，调节弹簧502，圆盘上盖503，圆盘下盖504，U型导轨505，圆盘传动组件506，所述圆盘上盖503与圆盘下盖504通过螺钉进行固定连接，圆盘传动组件506一端与电机6输出轴，另一端与圆盘下盖504相连，圆盘上盖503与圆盘下盖504间留有安装空腔，用于安装U型导轨505，伸缩楔形滑块501安装于U型导轨505内，通过U型导轨505底部对伸缩楔形滑块501的伸缩位置进行限制，所述U型导轨505深度通过电机6输出轴及固定滑块齿进行调节，电机6输出轴带动设置于U型导轨505底部、并与调节弹簧502顶部相连的伸缩楔形滑块501向内运动，通过伸缩楔形滑块501斜面与缓冲齿槽4接触实现调节弹簧502压缩；
缓冲弹簧3底部焊接有固定法兰，法兰与圆盘5相连，同时上套筒1通过缓冲弹簧3及圆盘5与下套筒2固定连接，缓冲过程中，通过电机6控制设置于圆盘5内部的伸缩楔形滑块501在缓冲齿槽4内部的伸缩量调节圆盘5位置，圆盘5在地面冲击力的作用下使圆盘5位置上升，压缩缓冲弹簧3，带动下套筒2与上套筒1进行相对运动，实现装置的缓冲。
如图3所示，为缓冲机构的刚性状态，此时：
圆盘5内的伸缩楔形滑块501向外侧伸出，被卡在上套筒1的最底层的缓冲齿槽4中，此时下套筒2将不能上下运动，缓冲机构处在刚性状态；
如图4所示，为缓冲机构的缓冲状态，此时：
旋转电机6通过电机输出轴带动圆盘传动组件506转动，圆盘传动组件506带动圆盘下盖504旋转一定角度，此时通过齿轮齿条的作用，伸缩楔形滑块501向圆盘圆心处收缩，如图4所示，缓冲机构处于弹性状态，在机器人降落过程中，当下套筒2受到向上的冲击时，伸缩楔形滑块501与缓冲齿槽4之间的作用力将使得楔形滑块501被压到U型导轨505的凹槽中，然后圆盘上盖503压缩上套筒1内部的缓冲弹簧3使得整个下套筒2及圆盘5向上运动，伸缩楔形滑块501将逐个上移到上套筒1的每一层缓冲齿槽4中，直到缓冲过程结束，伸缩楔形滑块501将停留在某一层缓冲齿槽4中；
如图5所示，为缓冲机构的恢复状态，其中：
电机6带动圆盘5的圆盘下盖504继续旋转，使得伸缩楔形滑块501完全进入圆盘5内部，如图5所示，此时下套筒2将在缓冲弹簧3的推力作用下向下运动直至最底端；然后反方向旋转圆盘下盖504，使得伸缩楔形滑块501和U型导轨505沿圆盘5半径向外侧伸出，伸缩楔形滑块501被卡在上套筒1最下层的缓冲齿槽4中，缓冲机构回到刚性状态。这样，就实现了可重复缓冲的功能。
在缓冲机构中，伸缩楔形滑块501的斜面角度必须大于等于45度，保证当斜面与齿槽侧面接触时圆盘5会在地面冲击力作用下上升，其中，缓冲齿槽4数量确定方法为：所需缓冲行程L除以单层齿距，单层齿距均为2cm，其中所需缓冲行程L即上套筒1侧壁长度。
缓冲机构的材料选择上，上套筒1、下套筒2材料为铝合金，缓冲弹簧3材料为合金弹簧钢，圆盘上盖503、圆盘下盖504、伸缩楔形滑块501、U型导轨505、缓冲齿槽4的材料均为钛合金。
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 (6)

1.一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，其特征在于：包括上套筒(1)、下套筒(2)、缓冲弹簧(3)、缓冲齿槽(4)、圆盘(5)、电机(6)，所述上套筒(1)与下套筒(2)开口端相对，所述缓冲弹簧(3)一端设置于上套筒(1)内，所述圆盘(5)固定安装于下套筒(2)开口端并与缓冲弹簧(3)另一端相连，圆盘(5)与设置于上套筒(1)内壁的缓冲齿槽(4)配合，缓冲机构落地时，下套筒(2)底部的电机(6)通过控制圆盘(5)边沿于缓冲齿槽(4)内部的伸缩量调节缓冲弹簧(3)的压缩量，同时缓冲弹簧(3)带动上套筒(1)、下套筒(2)相对运动，缓冲机构减振时，电机(6)控制圆盘(5)边沿完全回缩，并在压缩状态缓冲弹簧(3)的作用下实现上套筒(1)、下套筒(2)位置还原，其中：
所述圆盘(5)包括伸缩楔形滑块(501)、调节弹簧(502)、圆盘上盖(503)、圆盘下盖(504)、U型导轨(505)、圆盘传动组件(506)，所述圆盘传动组件(506)一端与电机(6)输出轴相连，另一端与圆盘下盖(504)相连，圆盘上盖(503)、圆盘下盖(504)固定连接，所述U型导轨(505)设置于圆盘上盖(503)与圆盘下盖(504)的连接空腔中，所述伸缩楔形滑块(501)、调节弹簧(502)均设置于U型导轨(505)内，调节弹簧(502)一端与U型导轨(505)底部相连，另一端与伸缩楔形滑块(501)相连，电机(6)输出轴带动圆盘传动组件(506)转动，圆盘传动组件(506)带动圆盘下盖(504)转动并带动伸缩楔形滑块(501)、调节弹簧(502)及U型导轨(505)沿圆盘下盖(504)径向进行伸缩；
所述缓冲齿槽(4)数量通过上套筒(1)侧壁长度除以单层齿距结果取整得到。
2.根据权利要求1所述的一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，其特征在于：所述伸缩楔形滑块(501)的斜面角度大于等于45度。
3.根据权利要求1所述的一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，其特征在于：所述单层齿距为2cm。
4.根据权利要求1所述的一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，其特征在于：所述缓冲齿槽(4)材料为钛合金。
5.根据权利要求1所述的一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，其特征在于：所述伸缩楔形滑块(501)的材料为钛合金。
6.根据权利要求1所述的一种用于月面飞行机器人的腿部缓冲机构，其特征在于：所述U型导轨(505)数量为2个，底部相对并沿圆盘下盖(504)径向安装。
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